基于海水淡化浓盐水深度浓缩的淡水海盐热能三联产系统

技术领域

本发明涉及浓盐水处理，特别是涉及一种基于海水淡化浓盐水深度浓缩的淡水海盐热能三联产系统。

背景技术

作为解决淡水短缺问题的有效途径，海水淡化技术的重要性日益凸显，其发展也越来越迅速。目前全球淡化水总容量已超过7000万吨/日。现有海水淡化技术的淡水回收率通常低于50％，意味着海水淡化在生产大量淡水的同时，会排出数量更大的浓盐水，其浓度和温度均高于海水，且含有化学药剂和腐蚀产物，直接排海会导致海洋污染，进而破坏海洋生态。随着海水淡化规模的进一步扩大，这一问题会日益突出。浓盐水问题如不能妥善解决，很可能会成为限制海水淡化发展的重要因素。

对现有文献进行检索发现，关于海水淡化浓盐水的处理和利用，人们提出了多种方案，典型的有浓盐水摊晒制盐、电渗析制盐、膜蒸馏制盐、浓盐水或卤水提取化工品、浓盐水太阳池等；有多项中国专利与此有关，例如：亚历山大·雷布瑟夫等的“从盐液获得氯化锂的方法和实施此方法的设备”(ZL01823738)、冯厚军等的“海水制取磷酸二氢钾的工艺方法”(ZL200310117852)、葛文宇的“综合利用高效益零排放的海水淡化组合生产工艺方法”(ZL200610151976)、奥利佛·雅可布等的“处理来自脱盐设备的原料盐水的方法”(ZL201280011383)。上述专利提出的浓盐水利用方案主要围绕制盐(同时生产淡水)和提取化工品，这也正是海水淡化浓盐水的优势所在。

目前海水淡化浓盐水绝大多数采取直接排海或稀释后排海的方法，这一方面与人们环保意识不足有关，另一方面也与缺乏高效、成熟的浓盐水利用技术有直接关系：浓盐水摊晒制盐法占地面积大、生产周期长；电渗析法能耗高、成本高；膜蒸馏法水通量低、膜成本高。因此开发高效、节能、经济性好的浓盐水综合利用技术是海水淡化产业可持续发展的关键课题。

溴化锂溶液对水蒸气有极强的吸收能力，在浓盐水深度浓缩和处理方面有独特的优势，这一点还没有引起人们的重视。其优势可从以下三个方面分析：

1、利用溴化锂溶液处理浓盐水，生产效率高，设备结构紧凑。溴化锂溶液的吸收能力体现在溶液表面的水蒸气压力远低于溶液温度所对应的饱和压力，例如：温度为40℃、质量浓度为50％的溴化锂溶液，水蒸气压力为2.11kPa，远低于40℃对应的水蒸气饱和压力7.38kPa。这意味着，只要水蒸气压力高于2.11kPa，就可以被40℃、50％的溴化锂溶液吸收。与此对比，温度为40℃的饱和浓盐水(以NaCl溶液为例，质量浓度为26.8％)，其水蒸气压力为5.63kPa，温度为30℃的饱和浓盐水(质量浓度为26.5％)，其水蒸气压力为3.18kPa。可见，利用溴化锂溶液处理浓盐水，水蒸气压差大、传质推动力大，从而生产效率高、结构紧凑。

2、由上例还可看出，溴化锂溶液可以吸收比其温度低得多的水蒸气，亦即在吸收过程中，溴化锂溶液的温度可比浓盐水温度高很多，这为回收溶液吸收热并将之用于盐水汽化提供了非常有利的条件。这种回热在常规系统中是不可能实现的，但由于溴化锂溶液的特性，使之成为可能。

3、以溴化锂溶液为工质时，非常方便与吸收式热泵相结合，从而大大提高能量利用率。

由以上分析可见，溴化锂溶液在浓盐水处理方面有突出的优势，由此出发，有望得到性能优良的浓盐水综合利用系统。

发明内容

本发明旨在提供一种高效、节能、结构紧凑、经济性好的基于海水淡化浓盐水深度浓缩的淡水海盐热能三联产系统。

本发明设有深度浓缩子系统、制盐子系统、溶液再生子系统、冷凝子系统；

所述深度浓缩子系统设有至少1级蒸发-吸收器，用于将海水淡化后的浓盐水浓缩为饱和盐水，所述蒸发-吸收器设有蒸发室、吸收室、挡液板、热管换热器、浓盐水喷淋管、蒸发-吸收器溴化锂溶液喷淋管，蒸发室用于浓盐水汽化，吸收室用于溴化锂溶液吸收水蒸气，挡液板位于蒸发室与吸收室的上部空间之间；热管换热器的放热端浸于蒸发室的浓盐水中，热管换热器的吸热端浸于吸收室的溴化锂溶液中；浓盐水喷淋管装在蒸发室上部；蒸发-吸收器溴化锂溶液喷淋管装在吸收室上部；

所述制盐子系统设有结晶-吸收器、分离器、干燥器，制盐子系统用于从深度浓缩子系统排出的饱和盐水中制取固体海盐；所述结晶-吸收器设有结晶室、吸收室、挡液板，结晶室用于将饱和盐水汽化至过饱和并形成结晶，吸收室用于溴化锂溶液吸收水蒸气；挡液板位于结晶室与吸收室的上部空间之间；吸收室上部装有结晶-吸收器溴化锂溶液喷淋管，所述分离器用于对来自结晶-吸收器的盐浆进行液固分离，所述干燥器用于将固体盐进一步干燥，干燥器用的干燥介质是来自溶液再生子系统的热空气；

所述溶液再生子系统设有发生器、溶液热交换器、空气冷却器，溶液再生子系统用于将深度浓缩子系统排出的溴化锂稀溶液浓缩再生为浓溶液，同时回收循环热能、获得热空气；在发生器中，驱动热源加热稀溶液，得到浓溶液和水蒸气；在溶液热交换器中，溴化锂稀溶液被加热，浓溶液被冷却；空气冷却器用于降低溴化锂溶液温度，回收的热能用于加热空气；

所述冷凝子系统设有盐水预热器和冷凝器，在盐水预热器中，部分来自溶液再生子系统的发生器的蒸汽冷凝，冷凝热用于预热原料浓盐水，剩余的水蒸气在冷凝器中冷凝，放出热能，盐水预热器和冷凝器排出的冷凝水即淡水。

本发明以海水淡化后的浓盐水为原料，基于吸收原理，同时生产淡水、海盐、热能；本发明包括深度浓缩子系统、制盐子系统、溶液再生子系统、冷凝子系统，包括盐水浓缩与结晶过程、溶液吸湿与浓缩再生过程、空气加热与吸湿过程、水蒸气产生与冷凝过程；以海水淡化后的浓盐水为原料，以100℃以上热水或0.1MPa以上蒸汽为驱动热源、附加少量电能，可产出盐分浓度低于0.003％(30ppm)的优质淡水、水分含量低于0.5％的海盐、温度高于55℃的热能。

本发明具有以下优点：

1、具有良好的经济性能：从设备方面看，系统主要由各种换热器和泵组成，利用常规技术就可完成，设备成本低；从运行方面看，系统主要消耗低品位热能，能耗成本低；从产出方面看，淡水、海盐、热能三种产品分摊设备成本和运行成本。若考虑所排放高浓度苦卤的进一步利用，经济效益会更显著。

2、利用溴化锂溶液对水蒸气的强吸收特性，同时通过合理的流程设计增大传质推动力，可实现浓盐水的高效浓缩和快速结晶，因此结构紧凑、生产效率高。

3、采用内回热型蒸发-吸收器与溶液循环一起构成吸收式热泵、利用空气回收部分吸收热、输出具有利用价值的冷凝热，以上措施的运用使得本系统具有比常规系统高得多的能量利用率。

4、淡水回收率高于75％，淡水产量大，且由于采用蒸馏法，淡水水质优良。

5、利用100℃以上的热水或0.1MPa以上的蒸汽为驱动热源，附加少量的电能，即可实现系统的高效运转，是利用工业余热和太阳热能的有效途径。

6、非常适合与低温多效蒸发海水淡化过程相结合：本系统为低温多效系统提供驱动热能，低温多效系统为本系统提供原料浓盐水；亦适合与反渗透等常温操作或冷冻法等低于环境温度操作的海水淡化系统相结合：本系统输出的热能可将浓盐水预热到适当温度，以加快浓缩速度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例包括4个子系统：深度浓缩子系统1、制盐子系统2、溶液再生子系统3、冷凝子系统4。

所述深度浓缩子系统1包括第1蒸发-吸收器11、第2蒸发-吸收器12和盐水泵13，用于将海水淡化后盐分浓度约7％的浓盐水浓缩为浓度高于26％的饱和盐水。所述第1蒸发-吸收器11由蒸发室111、吸收室112、挡液板113、热管换热器114、喷淋管115、喷淋管116组成。蒸发室111是浓盐水汽化的场所，吸收室112是溴化锂溶液吸收水蒸气的场所。挡液板113位于蒸发室111和吸收室112的上部空间之间，使水蒸气可从蒸发室111流到吸收室112，同时避免浓盐水液滴飞溅入吸收室112。热管换热器114的放热端浸于蒸发室111的浓盐水中，吸热端浸于吸收室112的溴化锂溶液中，用于回收吸收过程放出的热，并将之用于浓盐水的汽化。蒸发室111上部装有喷淋管115，用于雾化浓盐水，加速其汽化；吸收室112上部装有喷淋管116，用于雾化溴化锂溶液，强化吸收过程。吸收室112的上部与抽气装置连接(抽气装置未在图中示出)，以抽出空气或其他不凝性气体。所述第2蒸发-吸收器12与第1蒸发-吸收器11结构相同。图1所示的是二级浓缩过程，实用中可以根据具体情况，增、减浓缩过程的级数。

所述制盐子系统2包括结晶-吸收器21、分离器22、干燥器23、泵24、泵25、泵26，用于从深度浓缩后的饱和盐水中制取固体海盐。结晶-吸收器21由结晶室211、吸收室212、挡液板213组成。结晶室211是饱和盐水汽化至过饱和、进而结晶的场所，吸收器212是溴化锂溶液吸收水蒸气的场所。挡液板213位于结晶室211和吸收室212的上部空间之间，使水蒸气可从结晶室211流到吸收室212，同时避免浓盐水液滴进入吸收室212。吸收室212上部装有喷淋管214，用于雾化溴化锂溶液，强化吸收过程。吸收室212的上部与抽气装置连接，以排除不凝性气体。分离器22用于对来自结晶-吸收器21的盐浆进行液、固分离，得到含水量低于3％的固体盐，同时排出苦卤。干燥器23用于对固体盐进一步干燥，最终得到含水量低于0.5％的海盐产品；所用干燥介质是来自溶液再生子系统3的热空气。

所述溶液再生子系统3包括发生器31、溶液换热器32、第1空气冷却器33、第2空气冷却器34、第3空气冷却器35、风机36、泵37、泵38、泵39，用于将深度浓缩子系统1排出的溴化锂稀溶液浓缩再生为浓溶液，同时回收过程热能、获得热空气。发生器31中，驱动热源加热稀溶液，得到浓溶液和水蒸气。溶液换热器32用于加热溴化锂稀溶液以减小发生器31的热负荷，同时冷却浓溶液以增大其吸收能力。第1空气冷却器33、第2空气冷却器34、第3空气冷却器35都是为降低溴化锂溶液温度、进而增大吸收能力而设置的，回收的热能用于加热空气；所得热空气用作干燥器23的干燥介质。

所述冷凝子系统4包括盐水预热器41、冷凝器42、泵43、阀44。盐水预热器41用于预热原料浓盐水，以提高蒸发室111中的水蒸气压力，从而增大传质推动力。为减小腐蚀，预热温度宜低于40℃。阀44用于调节进入盐水预热器41的水蒸气流量；剩余的水蒸气在冷凝器42中冷凝，释放出高于55℃的热能。冷凝器42的上部与抽气装置连接，以排除不凝性气体。盐水预热器41和冷凝器42排出的冷凝水即为产品淡水。

下面结合图1，叙述本发明的基于海水淡化浓盐水深度浓缩的淡水海盐热能三联产系统的具体工作过程。

1、盐水浓缩与结晶过程。原料浓盐水在盐水预热器41中预热后，经喷淋管115喷入蒸发室111，一部分闪发为蒸汽，剩余的浓盐水落于蒸发室111下部，继续汽化、浓缩。溴化锂溶液经喷淋管116喷入吸收室112，吸收来自蒸发室111的部分水蒸气后，落于吸收室112下部，继续吸湿、稀释。热管换热器114将热能由吸收器112中的溴化锂溶液传递给蒸发室111中的浓盐水。经一级浓缩后的盐水被盐水泵13加压后，进入蒸发室121，经二级浓缩，得到饱和盐水。在结晶-吸收器21中的结晶室211中，饱和盐水继续汽化成为过饱和盐水，之后部分结晶，所得盐浆在分离器22中经离心分离，得到固体盐和苦卤。苦卤排出，固体盐则进入干燥器23，被热空气干燥后成为产品海盐。

2、溶液吸湿与浓缩再生过程。来自发生器31的溴化锂浓溶液经溶液泵39加压、第3空气冷却器35降温后，喷入结晶-吸收器21的吸收室212中，吸收来自结晶室211的水蒸气，溶液温度升高、浓度降低；该溶液经溶液泵26加压、第2空气冷却器34降温后，喷入第2蒸发-吸收器12的吸收室122中，吸收来自蒸发室121的水蒸气，溶液温度升高、浓度进一步降低；该溶液经溶液泵38加压、第1空气冷却器33降温后，喷入第1蒸发-吸收器11的吸收室112中，吸收来自蒸发室111的水蒸气，溶液温度升高、浓度进一步降低。所得稀溶液经溶液泵37加压、溶液换热器32预热后，进入发生器31，经驱动热源加热，分离为水蒸气和浓溶液。

3、空气加热与吸湿过程。来自环境的空气经风机36加压，然后依次在第1空气冷却器33、第2空气冷却器34、第3空气冷却器35中被溴化锂溶液加热，所得热空气进入干燥器23，吸收海盐中的水分后，排向环境。

4、水蒸气产生与冷凝过程。溶液的吸湿、再生过程实际上也是水蒸气的产生过程：在结晶-吸收器21、第2蒸发-吸收器12和第1蒸发-吸收器11中，盐水汽化产生的水蒸气被溴化锂溶液吸收，在发生器31中又被汽化为水蒸气。水蒸气在盐水预热器41和冷凝器42中冷凝成为淡水。

经过上述过程，可以得到盐分浓度低于0.003％(30ppm)的优质淡水、水分含量低于0.5％的海盐、温度高于55℃的热能，该热能可用于驱动低温多效海水淡化过程或其他热过程。另外，系统排出的苦卤可作为进一步提取或生产化工品的原料液。本发明亦可借鉴用于除海水淡化浓盐水外的其它盐水的深度处理。

本发明利用溴化锂溶液对水蒸气的强吸收特性实现浓盐水的深度浓缩和结晶。设置蒸发-吸收器，浓盐水和溴化锂溶液在其中进行热、质交换，溴化锂溶液吸收水蒸气，浓盐水部分汽化；通常经过二级浓缩，就可将盐分浓度约7％的盐水浓缩为盐分浓度高于26％的饱和盐水。设置结晶-吸收器，借助溴化锂溶液的吸收作用，使饱和盐水继续汽化成为过饱和盐水，之后产生海盐晶体。

本发明利用内回热型蒸发-吸收器将溶液的部分吸收热用于浓盐水汽化。在蒸发-吸收器的蒸发室和吸收室之间设置热管换热器，换热器的放热段浸于蒸发室的浓盐水中，吸热端浸于吸收室的溴化锂溶液中。系统运行时，吸收室中的溴化锂溶液温度高于蒸发室中的浓盐水，这一方面与设计参数的选择有关，另一方面还因为：吸收过程是放热过程，会使溴化锂溶液温度升高；蒸发过程是吸热过程，会使浓盐水温度降低。内回热型热管换热器的设置可降低溴化锂溶液温度、增大其吸收能力，同时加热浓盐水，加快其汽化、浓缩过程。

本发明采用盐水顺流、溶液逆流的布置方式，保证浓缩和结晶过程的传质推动力。在本发明所述系统中，第一级蒸发-吸收器、第二级蒸发-吸收器、结晶-吸收器串联；盐水顺流布置，依次进入第一级蒸发-吸收器、第二级蒸发-吸收器、结晶-吸收器；溴化锂溶液逆流布置，先进入结晶-吸收器，然后是第二级蒸发-吸收器、第一级蒸发-吸收器。这样布置是依据匹配原则：在第一级蒸发-吸收器中，盐分浓度较低、水蒸气压力较高的盐水与浓度较低、吸收能力较弱的溴化锂溶液相匹配；在结晶-吸收器中，盐分浓度高、水蒸气压力低的盐水与浓度高、吸收能力强的溴化锂溶液匹配；这样可以保证各过程都有足够的传质推动力。

本发明利用空气冷却溴化锂溶液以增大溶液的吸收能力，所得热空气用作海盐的干燥介质。同样浓度下，溴化锂溶液的温度越低，其表面水蒸气压力越低、溶液吸收能力越强。因此在系统中设置空气冷却器，用于冷却进入蒸发-吸收器和结晶-吸收器的溴化锂溶液；所得热空气用于干燥海盐，在提高海盐品质的同时，使系统能量得到更充分的利用。