CN116655031B - 一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，通过增加相变蓄热箱，利用废水处理过程中蒸发‑浓缩过程中吸热放热的异步，设置两个循环槽切换工作，以通过相变蓄热箱利用蒸发‑浓缩过程中废水释放的热量对蒸发前的废水进行预热，通过对相变材料反复的蓄热/放热，实现了回收CCE系统运行时所产生的多余热量，保证CCE系统的热平衡；利用吸收的热量，对废水原水进行预热，实现了节能。

Description

一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统

技术领域

本发明涉及废水蒸发浓缩技术领域，尤其涉及一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统。

背景技术

随着，印染、造纸、化工、炼油、海水利用等领域的迅速发展，对高盐废水处理的需求越来越高。现有MVR、多效蒸发等处理技术存在投资成本高、运行管理难、容易堵塞等问题。闭式循环蒸发技术（简称CCE技术）是一种包含逆卡诺循环的闭式能量循环、风路循环和氟路循环的技术，具有双路热回收和冷端热平衡等技术要点。废水经喷淋泵和喷嘴被喷淋至蒸发塔内的表面蒸发器表面（热泵冷凝器）进行吸热蒸发，蒸发塔内空气湿度接近饱和状态，经风路循环被输送至冷凝塔（包括一级换热器、三级换热器，即热泵蒸发器）进行放热冷凝，在此过程中，空气中的水分凝结成液态水排出，同时，回收水分冷凝过程中释放的潜热，用于新一轮的废水吸热蒸发。

在CCE技术实际应用在工业高盐有机废水（以下简称：废水）蒸发浓缩处理过程中，为了保证迅速建立冷、热端的热平衡，首先需要对废水进行预热以达到约45℃，再开始进行蒸发浓缩处理。

随着CCE系统中的热泵系统的持续工作，废水不断吸热蒸发，含水率亦持续下降，热泵系统释放的热量超过废水蒸发所需吸收的热量，此时，启动CCE系统中的二级换热器，使用外部冷源（主要是冷却塔的冷却循环水）将多余的热量带出CCE系统，从而实现CCE系统的热平衡以及全系统的长期稳定运行。

由于CCE技术在处理过程中，废水温度大多控制在室温（20℃）和50℃之间，实际使用时其温度调节通过外部冷源和热源实现，因此在实际废水蒸发浓缩过程中存在着一定的热量的浪费，同时，新的废水进入系统之前亦需消耗一定的能量（主要是蒸汽）来进行预热，由此可见，CCE技术尚未能实现能量的最大化利用。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统。

本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，包括：废水进水管路、第一循环槽、第二循环槽、蒸发塔和相变蓄热箱；

蒸发塔内设有喷嘴和表面蒸发器，蒸发塔侧壁设有蒸发进口且底部设有废水出口，第一循环槽和第二循环槽的原水进口分别与废水进水管路连通，第一循环槽和第二循环槽的原水出口分别通过蒸发塔的蒸发进口与喷嘴连通且连通管路上分别设有第一蒸发控制阀和第二蒸发控制阀，第一循环槽和第二循环槽的循环进口分别与蒸发塔的废水出口连通且连通管路上分别设有第三蒸发控制阀和第四蒸发控制阀；

相变蓄热箱内设有相变蓄热材料和穿过相变蓄热材料的换热通道，所述换热通道两端分别设有换热进口和换热出口，第一循环槽和第二循环槽的原水出口分别与换热进口连通且连通管路上分别设有第一循环控制阀和第二循环控制阀，第一循环槽和第二循环槽的循环进口分别与换热出口连通且连通管路上分别设有第三循环控制阀和第四循环控制阀。

优选地，其工作过程如下：

打开第一蒸发控制阀和第三蒸发控制阀，关闭第二蒸发控制阀、第四蒸发控制阀、第一循环控制阀、第二循环控制阀、第三循环控制阀和第四循环控制阀；

第一循环槽达到第一预设液温时，打开第一循环控制阀和第三循环控制阀；当第一循环槽达到第二预设液温时，关闭第一循环控制阀和第三循环控制阀，同时打开第二循环控制阀和第四循环控制阀。

优选地，当第二循环槽的液温与换热出口温度相等时，关闭第二循环控制阀和第四循环控制阀。

优选地，当第一循环槽内废水达到预设浓缩比，关闭第一蒸发控制阀和第三蒸发控制阀，并打开第二蒸发控制阀和第四蒸发控制阀。

优选地，喷嘴位于表面蒸发器上方。

优选地，蒸发塔侧壁还设有循环蒸汽出口，第一循环槽上设有第一循环蒸汽进口且第二循环槽上设有第二循环蒸汽进口，所述循环蒸汽出口分别与第一循环蒸汽进口和第二循环蒸汽进口连通。

优选地，相变蓄热箱包括箱体和设置在箱体内的多个蓄热板，多个蓄热板依次平行布置在箱体内且安装在箱体内壁上，多个蓄热板依次错开布置在箱体内形成S型换热通道。

优选地，箱体内设有位于顶壁的上安装座和位于底壁的下安装座，蓄热板上下两端分别安装在上安装座和下安装座上。

本发明中，所提出的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，通过增加相变蓄热箱，利用废水处理过程中蒸发-浓缩过程中吸热放热的异步，设置两个循环槽切换工作，以通过相变蓄热箱利用蒸发-浓缩过程中废水释放的热量对蒸发前的废水进行预热，通过对相变材料反复的蓄热/放热，实现了回收CCE系统运行时所产生的多余热量，保证CCE系统的热平衡；利用吸收的热量，对废水原水进行预热，实现了节能。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的相变蓄热箱的结构示意图。

图3为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的相变蓄热箱的液态相变材料流道示意图。

具体实施方式

在CCE系统具体处理废水过程中，首先废水被喷淋至蒸发塔内进行吸热蒸发，蒸发塔内空气湿度接近饱和状态，经风路循环被输送至下一级冷凝塔进行放热冷凝，在此过程中，空气中的水分凝结成液态水排出。蒸发塔底部蒸发后的浓缩液，进行结晶处理。在实际废水蒸发浓缩过程中，存在着一定的热量的浪费，新的废水进入系统之前亦需消耗一定的能量来进行预热。

因此，如图1-3所示，图1为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的相变蓄热箱的结构示意图，图3为本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的一种实施方式的相变蓄热箱的液态相变材料流道示意图。

参照图1，本发明提出的一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，包括：废水进水管路、第一循环槽1、第二循环槽2、蒸发塔3和相变蓄热箱4；

蒸发塔3内设有喷嘴5和表面蒸发器6，蒸发塔3侧壁设有蒸发进口且底部设有废水出口，第一循环槽1和第二循环槽2的原水进口分别与废水进水管路连通，第一循环槽1和第二循环槽2的原水出口分别通过蒸发塔3的蒸发进口与喷嘴5连通且连通管路上分别设有第一蒸发控制阀V11和第二蒸发控制阀V12，第一循环槽1和第二循环槽2的循环进口分别与蒸发塔3的废水出口连通且连通管路上分别设有第三蒸发控制阀V13和第四蒸发控制阀V14；

实际设计时，废水进水管路上设有废水输入泵，喷嘴的进水端设有废水喷淋泵，蒸发塔的废水出口设有浓缩液回流泵。

相变蓄热箱4内设有相变蓄热材料和穿过相变蓄热材料的换热通道，所述换热通道两端分别设有换热进口和换热出口，第一循环槽1和第二循环槽2的原水出口分别与换热进口连通且连通管路上分别设有第一循环控制阀V21和第二循环控制阀V22，第一循环槽1和第二循环槽2的循环进口分别与换热出口连通且连通管路上分别设有第三循环控制阀V23和第四循环控制阀V24。

本实施例的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统的具体工作过程如下：

首先通过废水输入泵向第一循环槽1内进水，然后打开第一蒸发控制阀V11和第三蒸发控制阀V13，关闭第二蒸发控制阀V12、第四蒸发控制阀V14、第一循环控制阀V21、第二循环控制阀V22、第三循环控制阀V23和第四循环控制阀V24。第一循环槽1内的废水在废水喷淋泵的作用下送入蒸发塔内，经由喷嘴喷出，经过表面蒸发器蒸发，形成的浓缩液从蒸发塔底部回流至第一循环槽内。

随着系统持续运行，废水不断蒸发浓缩，第一循环槽中的废水持续减少，同时温度缓慢上升。当第一循环槽1达到第一预设液温时，打开第一循环控制阀V21和第三循环控制阀V23；部分废水进入相变蓄热箱内，蓄热箱内的常温蓄热材料吸收废水中的热量。

当第一循环槽1达到第二预设液温时，关闭第一循环控制阀V21和第三循环控制阀V23，同时打开第二循环控制阀V22和第四循环控制阀V24。此时，相变材料蓄热过程结束。第一循环槽继续通过蒸发塔进行蒸发浓缩。当第一循环槽1内废水达到预设浓缩比，关闭第一蒸发控制阀V11和第三蒸发控制阀V13，并打开第二蒸发控制阀V12和第四蒸发控制阀V14。此时，第一循环槽内废水达到减量化目的，转移至结晶罐中进行静置、降温，分离浓缩液中的结晶物，进行后续处理步骤。

同时，将第二循环槽与相变蓄热箱连通，对第二循环槽内的待处理废水进行预热。当第二循环槽2的液温与换热出口温度相等时，关闭第二循环控制阀V22和第四循环控制阀V24，此时相变蓄热箱的放热过程结束。

在本实施例中，所提出的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，通过增加相变蓄热箱，利用废水处理过程中蒸发-浓缩过程中吸热放热的异步，设置两个循环槽切换工作，以通过相变蓄热箱利用蒸发-浓缩过程中废水释放的热量对蒸发前的废水进行预热，通过对相变材料反复的蓄热/放热，实现了回收CCE系统运行时所产生的多余热量，保证CCE系统的热平衡；利用吸收的热量，对废水原水进行预热，实现了节能。

在蒸发塔的具体设计方式中，喷嘴5位于表面蒸发器6上方。

此外，蒸发塔3侧壁还设有循环蒸汽出口，第一循环槽1上设有第一循环蒸汽进口且第二循环槽2上设有第二循环蒸汽进口，所述循环蒸汽出口分别与第一循环蒸汽进口和第二循环蒸汽进口连通。可将蒸发塔的蒸汽循环利用送入循环槽，对循环槽内的废液在进入蒸发塔前进一步加热。

参照图2，在相变蓄热箱的具体设计方式中，相变蓄热箱4包括箱体401和设置在箱体401内的多个蓄热板402，多个蓄热板402依次平行布置在箱体401内且安装在箱体401内壁上，多个蓄热板402依次错开布置在箱体401内形成S型换热通道。废水从各蓄热板中间缝隙经过，且保持各缝隙的水路同程，达到换热均匀的目的。

在进一步具体设计方式中，箱体401内设有位于顶壁的上安装座403和位于底壁的下安装座404，蓄热板402上下两端分别安装在上安装座403和下安装座404上。

实际使用时，蓄热板具有工程塑料或聚乙烯材质外壳，内部充注无机相变蓄热材质。无机相变蓄热材质采用硫酸钠、硝酸钠等无机盐按比例配置。根据含逆卡诺循环的反应要求，可将相变蓄热材料的相变温度设计在50℃。当经过该相变蓄热板的废水温度≥55℃时，相变蓄热材质达到相变点，吸收热量，从固态变为液态；当废水温度≤53℃时，相变蓄热材质达到相变点，释放相变潜热，从液态变为固态，从而实现释放所蓄存的热量，将热量再用于加热低温废水的目的。

此时，为了保证不同蓄热板的蓄热均匀，参照图3，在相变蓄热箱的具体设计时，上安装座和下安装座内分别设有上流道和下流道，上流道底部设有依次布置的多个上连通口，下流道顶部设有依次布置的多个下连通口，蓄热板外壳顶部和底部分别设有与上连通口和下连通口连通的上接口和下接口。多个蓄热板内部腔体通过上下流道形成回路。当蓄热材料温度升高时，其开始由固态变成液态，液态相变材料通过上下流道流动，实现多个蓄热板内热量传递，从而保证蓄热箱内蓄热均衡，使其蓄热量达到最大。

具体地，上安装座和下安装座内设有上金属管405和下金属管406，上流道位于上金属管405内，下流道位于下金属管406内。上下流道通过金属管形成，通过金属管设计，一方面为蓄热板安装提供高强度的安装基础，另一方面提高蓄热板之间的热传递效率。

下面以实例详细说明本实施例的废水蒸发浓缩系统的具体工作方式。

首先，自废水池中将废水原水泵入循环A槽，通过外部换热器用蒸汽给废水原水进行预热，达到40℃时，开启CCE系统，持续运行时，随着废水不断蒸发浓缩，循环A槽中的废水持续减少，同时温度缓慢上升。当废水温度55℃时，打开相变蓄热水箱进水阀，部分废水进入相变蓄热水箱。此时的蓄冷板为常温（如20℃），开始吸收废水中的热量，降温后的废水再回到循环A槽。

经过计算，热泵系统压缩机的输入功率约等于蓄热板中相变蓄热材料可以吸收的热量，从而控制循环A槽中的水温保持稳定（55℃）。实时监测蓄热水箱的出水温度，当达到55℃时，关闭相变蓄热箱进水阀，相变材料蓄热过程结束。

在对循环A槽中的废水进行蒸发浓缩的过程中，自废水池中将原水泵入循环B槽，此时原水的温度为常温（如20℃），打开相变蓄热箱进水阀，循环B槽中的废水进入相变蓄热箱，吸收相变材料中蓄存的热量，出水持续温度上升。实时监测蓄热水箱的出水温度，当出水温度与循环B槽中废水温度接近时，判断为吸收相变材料中蓄存的热量已基本释放完成。如此时废水温度仍未达到40℃，可以通过换热器用蒸汽再次补热，达到40℃时，停止蒸汽加热，废水处于待用状态。

当循环A槽中的废水达到浓缩比，达到减量化目的，转移至结晶罐中进行静置、降温，分离浓缩液中的结晶物。

在实际操作中，通过电磁阀调节切换到循环B槽，将循环B槽的废水输送到CCE系统进行蒸发浓缩，当废水温度达到55℃时，打开相变蓄热水箱进水阀，开始对相变材料蓄热。同时，在原循环A槽内的浓缩液转移完成后，从废水池中补入原水，打开相变蓄热水箱进水阀，用相变材料所蓄存的热量对原水进行加热。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，包括：废水进水管路、第一循环槽（1）、第二循环槽（2）、蒸发塔（3）和相变蓄热箱（4）；

蒸发塔（3）内设有喷嘴（5）和表面蒸发器（6），蒸发塔（3）侧壁设有蒸发进口且底部设有废水出口，第一循环槽（1）和第二循环槽（2）的原水进口分别与废水进水管路连通，第一循环槽（1）和第二循环槽（2）的原水出口分别通过蒸发塔（3）的蒸发进口与喷嘴（5）连通且连通管路上分别设有第一蒸发控制阀（V11）和第二蒸发控制阀（V12），第一循环槽（1）和第二循环槽（2）的循环进口分别与蒸发塔（3）的废水出口连通且连通管路上分别设有第三蒸发控制阀（V13）和第四蒸发控制阀（V14）；

相变蓄热箱（4）内设有相变蓄热材料和穿过相变蓄热材料的换热通道，所述换热通道两端分别设有换热进口和换热出口，第一循环槽（1）和第二循环槽（2）的原水出口分别与换热进口连通且连通管路上分别设有第一循环控制阀（V21）和第二循环控制阀（V22），第一循环槽（1）和第二循环槽（2）的循环进口分别与换热出口连通且连通管路上分别设有第三循环控制阀（V23）和第四循环控制阀（V24）。

2.根据权利要求1所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，其工作过程如下：

打开第一蒸发控制阀（V11）和第三蒸发控制阀（V13），关闭第二蒸发控制阀（V12）、第四蒸发控制阀（V14）、第一循环控制阀（V21）、第二循环控制阀（V22）、第三循环控制阀（V23）和第四循环控制阀（V24）；

第一循环槽（1）达到第一预设液温时，打开第一循环控制阀（V21）和第三循环控制阀（V23）；当第一循环槽（1）达到第二预设液温时，关闭第一循环控制阀（V21）和第三循环控制阀（V23），同时打开第二循环控制阀（V22）和第四循环控制阀（V24）。

3.根据权利要求2所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，当第二循环槽（2）的液温与换热出口温度相等时，关闭第二循环控制阀（V22）和第四循环控制阀（V24）。

4.根据权利要求2所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，当第一循环槽（1）内废水达到预设浓缩比，关闭第一蒸发控制阀（V11）和第三蒸发控制阀（V13），并打开第二蒸发控制阀（V12）和第四蒸发控制阀（V14）。

5.根据权利要求1所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，喷嘴（5）位于表面蒸发器（6）上方。

6.根据权利要求1所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，蒸发塔（3）侧壁还设有循环蒸汽出口，第一循环槽（1）上设有第一循环蒸汽进口且第二循环槽（2）上设有第二循环蒸汽进口，所述循环蒸汽出口分别与第一循环蒸汽进口和第二循环蒸汽进口连通。

7.根据权利要求1所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，相变蓄热箱（4）包括箱体（401）和设置在箱体（401）内的多个蓄热板（402），多个蓄热板（402）依次平行布置在箱体（401）内且安装在箱体（401）内壁上，多个蓄热板（402）依次错开布置在箱体（401）内形成S型换热通道。

8.根据权利要求7所述的基于闭式循环蒸发技术的废水蒸发浓缩系统，其特征在于，箱体（401）内设有位于顶壁的上安装座（403）和位于底壁的下安装座（404），蓄热板（402）上下两端分别安装在上安装座（403）和下安装座（404）上。