一种机械蒸汽再压缩海水淡化方法

摘要

本发明涉及一种机械蒸汽再压缩海水淡化方法，该方法采用机械蒸汽再压缩系统对海水进行淡化，机械蒸汽再压缩系统包括海水预热器、蒸发器、压缩机、捕沫器，特别是，在进行海水淡化时，将压缩机与透平机通过传动装置传动连接，由透平机驱动压缩机工作，同时采用锅炉废热蒸汽或废热燃气作为透平机的工作介质。本发明方法不仅具有蒸汽再压缩技术海水淡化的系统简单可行、操作方便、能量消耗低、淡化水效率高、淡化水品质高的特点，还充分的利用了锅炉的余热能量，大大降低了海水淡化的成本。

权利要求

1.一种机械蒸汽再压缩海水淡化方法，该方法采用机械蒸汽再压缩系统对海水进行淡化，所述的机械蒸汽再压缩系统包括海水预热器、蒸发器、压缩机、捕沫器，其特征在于：在进行海水淡化时，将所述压缩机与透平机通过传动装置传动连接，由透平机驱动压缩机工作，同时采用锅炉废热蒸汽或废热燃气作为所述透平机的工作介质。

2.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：所述锅炉废热蒸汽或废热燃气来源于船舶、火电厂或钢铁厂。

3.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：在所述的海水预热器的出口安装温度检测设备，并使该温度检测设备通过PLC控制柜的集中控制与所述透平机的功率控制模块相连，通过控制所述透平机和所述压缩机的功率来控制蒸发器的能量输入。

4.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：在压缩机的蒸汽出口与蒸发器之间的管路上设增湿器，使从压缩机出来的蒸汽的过热度消除后再进入蒸发器。

5.根据权利要求4所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：采用蒸发器产出的冷凝淡水作为增湿器的工作介质，采用压力和温度监测设备对所述压缩机出口蒸汽的压力和温度进行检测，并使所述温度和压力检测设备通过PLC控制柜的控制，根据蒸汽的温度和压力调节冷凝淡水输送流量，使冷凝淡水输送流量满足消除蒸汽过热度的要求。

6.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：使驱动透平机工作后的介质、蒸发器所产出的淡水以及卤水经过海水预热器回收余热后再排出或收集。

7.根据权利要求1所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于：所述蒸发器为组合式蒸发器，该组合式蒸发器的用于海水蒸发的蒸发腔和用于蒸汽冷凝的冷凝腔组合在一个设备内。

8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预热：进料海水经过海水预热器进行预热，生成预热海水，预热海水的热量来自于后续蒸发产生的冷凝淡水和卤水以及驱动透平机工作后的介质的余热，在该阶段，海水被加热到可以直接进入蒸发器工作的温度，系统无需再提供额外能量加热海水；

(2)蒸发：预热海水进入蒸发器直接喷淋，蒸发器内的压力维持为负压，海水在蒸发器内蒸发，部分海水汽化形成水蒸汽，残余的海水形成卤水；

(3)蒸汽再压缩：海水汽化形成的水蒸汽经过捕沫器除去夹带的雾沫后被压缩机吸入进压缩机，捕沫产生的水回流到蒸发器重新蒸发，压缩机由透平机驱动，透平机的工作介质是锅炉废热蒸汽或者废热燃气，压缩后的蒸汽的压力和温度都得到提高，在经过增湿器的增湿后进入蒸发器作为加热海水的热源，释放热量的蒸汽冷凝成淡水，富集后由淡水泵排出；

(4)余热回收：该余热回收过程同时也是海水的预加热过程，加热的热量来源有蒸发器产生卤水的余热、蒸汽冷凝产生的淡水余热以及驱动透平机工作的废热介质的余热，在经过余热回收后，淡水进入淡水储罐，卤水外排至卤水储槽或者后续处理，对于透平机的驱动介质，该过程同时也起到凝汽器的作用，将仍然具有一定热值的废热蒸汽或废热燃气回收热量并冷凝，或者将燃气乏汽放空。

9.根据权利要求8所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于，步骤(1)中，将海水预热至45℃-90℃，步骤(2)中，蒸发器的操作压力为9.6KPa～84.5KPa，蒸发温度为

45℃-95℃。

10.根据权利要求8所述的机械蒸汽再压缩海水淡化方法，其特征在于，步骤(3)中，控制经过增湿器后的蒸汽的温度为60-100℃。

说明书

一种机械蒸汽再压缩海水淡化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用机械蒸汽再压缩技术进行海水淡化的方法。

背景技术

[0002] 海水中由于含有大量的盐类，无法被人类直接饮用和使用，因此在海上作业的船舶和作业平台往往需要装载大量的淡水以维持生活和饮用。同时，工业领域也需要用到大量的淡水作为反应用水、冷却水等，这不仅增加了淡水资源的紧张，同时由于淡水资源的分布不平均，也限制了很多工业企业的选址，增加了运营的成本。因此研究海水淡化技术，形成自有知识产权，不仅可以缓解国内的淡水资源紧张现状，降低由于水资源问题带来的人民生活不便，工业成本过高等问题，同时也具有诸多的战略意义，如可以提升造船行业技术竞争力、推动造船业、海上交通运输业的发展，解决海岛用水难题更可以促进海岛资源的开发利用等。

[0003] 目前海水淡化的方法主要有蒸馏法、膜法等。蒸馏法是最早采用的海水淡化技术，是将海水加热蒸发，再使蒸汽冷凝得到淡水的过程。蒸馏法可利用低品位热源、装置生产能力可以做大，但由于蒸馏法难以避免的需要将具有大量潜热的蒸汽外排或者冷凝，造成了能量的极大浪费。而且多效蒸馏必需配置多个预热器和冷凝器，因此系统结构相对复杂。

[0004] 机械蒸汽再压缩简称MVR技术，是Mechanical Vapor Recompression的缩写。它的原理是：温度较低的二次蒸汽通常不具有再作为热源的能力，但是其仍然含有大量的潜热，其在经体积压缩后温度会随之升高，从而实现将低温、低压的蒸汽变成高温高压的蒸汽，进而可以重新作为热源，从而达到可以循环回收利用蒸汽的目的。MVR技术可利用低品位热源、通常只需配置一个预热器，而且无需冷凝器，系统结构非常简单。而且MVR技术可以在很低的温度和加热温差下进行，具有其它淡化方法难以比拟的能耗较低、设备不易腐蚀结垢等优点。

[0005] 目前为止，已经报道的MVR海水淡化方法通常要使用电能作为驱动能。如中国发明专利CN 1546386A报道了一种机械压缩蒸馏法海水淡化装置，装置包括蒸汽机械压缩机、多个蒸发器和置于所述蒸发器内的冷凝管、喷淋系统、淡水箱和捕沫网等。该专利不仅结构复杂，需要消耗大量的电能，也未考虑到海水蒸发后的余热的回收。中国发明专利CN 102219273 B、CN101591042A等报道了利用太阳能作为辅助的热压缩式MVR海水淡化装置，这些专利设备和装备复杂，整套设备由太阳能集热器、蒸汽喷射器、压缩机、加热室、蒸发器、换热器等大量设备组成，结构复杂和占地面积大将限制这些工艺的使用。另外，太阳能的季节性、地域性分布不均等特点都成为制约太阳能海水淡化推广的瓶颈。中国专利CN101723476B公开了风能辅助的太阳能机械蒸汽再压缩蒸馏海水淡化装置，虽然一定程度上弥补了太阳能能源的缺点，但是风机的加入也增加了设备的复杂性。

[0006] 总体来说，现有技术中MVR海水淡化方法都必须要使用外加常规能源，存在能源消耗大，设备复杂等不足。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的机械蒸汽再压缩海水淡化方法。

[0008] 为解决以上问题，本发明采取如下技术方案：

[0009] 一种机械蒸汽再压缩海水淡化方法，该方法采用机械蒸汽再压缩系统对海水进行淡化，机械蒸汽再压缩系统包括海水预热器、蒸发器、压缩机、捕沫器，特别是，在进行海水淡化时，将压缩机与透平机通过传动装置传动连接，由透平机驱动压缩机工作，同时采用锅炉废热蒸汽或废热燃气作为透平机的工作介质。

[0010] 根据本发明，所述锅炉废热蒸汽或废热燃气优选来源于船舶、火电厂或钢铁厂。更优选来源于船舶和火电厂，最优选来源于船舶。

[0011] 根据本发明，传动装置可以为齿轮传动机构、传动轴等，没有特别限制。

[0012] 根据本发明，淡水产出是受进入蒸发器的海水的温度和加热海水的蒸汽温度控制，而加热海水的蒸汽温度受机械蒸汽压缩机的功率控制。为此，优选地，为了维持淡水的稳定产出，在海水预热器的出口安装温度检测设备，并使该温度检测设备通过PLC控制柜的集中控制与透平机的功率控制模块相连，通过控制透平机和压缩机的功率来控制蒸发器的能量输入。

[0013] 优选地，在压缩机的蒸汽出口与蒸发器之间的管路上设增湿器，使从压缩机出来的蒸汽的过热度消除后再进入蒸发器。更优选地，采用蒸发器产出的冷凝淡水作为增湿器的工作介质，采用压力和温度监测设备对所述压缩机出口蒸汽的压力和温度进行检测，并使该温度和压力检测设备通过PLC控制柜的控制，根据蒸汽的温度和压力调节冷凝淡水输送流量，使冷凝淡水输送流量满足消除蒸汽过热度的要求。消除过热度后的蒸汽传热效果更好。

[0014] 优选地，使驱动透平机工作后的介质、蒸发器所产出的淡水以及卤水经过海水预热器回收余热后再排出或收集。

[0015] 优选地，所述蒸发器为组合式蒸发器，该组合式蒸发器的用于海水蒸发的蒸发腔和用于蒸汽冷凝的冷凝腔组合在一个设备内。该蒸发器可以减少热量散逸带来的能耗，并且由传热管的管壁传热，可以将传热温差降低，减少整个系统的能耗。

[0016] 根据本发明，根据驱动介质的需求，透平机可以为蒸汽驱动的透平机或燃气驱动的透平机。为了满足海水淡化系统的稳定产出淡水，透平机产生的动力优选具有变频可调的性能，驱动透平机的介质最好经过压力和温度的调节装置的缓冲调节，使整套海水淡化装置可以正常运行，稳定的产出淡水。透平机的输出功率控制设施与PLC控制柜连接并受控制。当透平机输出功率不足时，压缩机可以由辅助的电能驱动装置驱动，以维持海水淡化装置的正常运转。

[0017] 根据本发明的进一步实施方案，所述海水淡化方法包括如下步骤：

[0018] (1)预热：进料海水经过海水预热器进行预热，生成预热海水，预热海水的热量来自于后续蒸发产生的冷凝淡水和卤水以及驱动透平机工作后的介质的余热，在该阶段，海水被加热到可以直接进入蒸发器工作的温度，系统无需再提供额外能量加热海水；

[0019] (2)蒸发：预热海水进入蒸发器直接喷淋，蒸发器内的压力维持为负压，海水在蒸发器内蒸发，部分海水汽化形成水蒸汽，残余的海水形成卤水；

[0020] (3)蒸汽再压缩：海水汽化形成的水蒸汽经过捕沫器除去夹带的雾沫后被压缩机吸入进压缩机，捕沫产生的水回流到蒸发器重新蒸发，压缩机由透平机驱动，透平机的工作介质是锅炉废热蒸汽或者废热燃气，压缩后的蒸汽的压力和温度都得到提高，在经过增湿器的增湿后进入蒸发器作为加热海水的热源，释放热量的蒸汽冷凝成淡水，富集后由淡水泵排出；

[0021] (4)余热回收：该余热回收过程同时也是海水的预加热过程，加热的热量来源有蒸发器产生卤水的余热、蒸汽冷凝产生的淡水余热以及驱动透平机工作的废热介质的余热，在经过余热回收后，淡水进入淡水储罐，卤水外排至卤水储槽或者后续处理，对于透平机的驱动介质，该过程同时也起到凝汽器的作用，将仍然具有一定热值的废热蒸汽或废热燃气回收热量并冷凝，或者将燃气乏汽放空。

[0022] 优选地，步骤(1)中，将海水预热至45℃-90℃，步骤(2)中，蒸发器的操作压力为9.6KPa～84.5KPa，蒸发温度为45℃-95℃。在该温度区间，压缩机的工作能耗可以由透平机提供，且驱动透平机的废热蒸汽/燃气的热值要求可以达到较低。另外，海水淡化过程中形成结垢的主要物质硫酸钙，在该温度区间也不会结晶出来形成结垢。此外，采用低温低压的操作措施还使原料液温度不致过高，腐蚀较轻，延长了设备的使用周期，减少了运行成本，生产效益高。

[0023] 优选地，步骤(3)中，控制经过增湿器后的蒸汽的温度为60-100℃。

[0024] 由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优势：

[0025] 本发明充分利用了锅炉的废热燃气/蒸汽的余热资源，实现与机械蒸汽再压缩技术联产的海水淡化新方法，不仅具有蒸汽再压缩技术海水淡化的系统简单可行、操作方便、能量消耗低、淡化水效率高、淡化水品质高的特点，也充分的利用了锅炉的余热能量，大大降低了海水淡化的成本。该系统可以根据锅炉余热的量和品质选择合适的淡化规模，不仅可以用于大规模的海水淡化工程，也特别适合船舶上低成本小规模生产，可被广泛应用于海水淡化领域中。

附图说明

[0026] 图1为本发明海水淡化方法的工艺流程图；

[0027] 其中：1、海水进料泵；2、卤水外排泵；3、冷凝水或乏汽外排泵；4、海水预热器；5、蒸发器；6、冷凝淡水泵；7、淡水储罐；8、捕沫器；9、压缩机、10、透平机；11、增湿器。

具体实施方式

[0028] 无论是在船舶还是在火电厂、钢铁厂等，都需要用到大量的蒸汽和燃气锅炉，这些锅炉的废热蒸汽和乏汽中含有大量的余热。普通天然气锅炉的排烟温度一般在120-250℃，其中含有8％-15％的显热和约11％的水蒸气潜热。即使在加装烟气冷凝器后，排烟中仍然含有大量的余热。另外，如水泥工业等高耗能产业产生的余热废气也十分巨大，如一套日产3
4000t水泥生产线的窑尾烟气流量约在1314×l04m/h，仅窑头篦冷机出口的用于冷却的余
3
热空气量即可达l04m/h，具有大量可以利用的能量。船舶上锅炉、柴油机等动力装置的排气余热温度大约200℃-400℃，其中排气废热可高达30％。另外，尤其在中小型船舶上，由于占地面积的限制或者出于成本的考虑，燃气锅炉的余热燃气或者蒸汽会不经处理而直接排放，造成了能源的极大浪费。例如，对于一个450马力的小型渔船，其柴油机尾气的温度可达450℃，每小时尾气产量可达800多公斤，可利用热量为近270000千焦。如果能将这部分废热与MVR技术联合起来用于海水淡化，前景将十分可观。

[0029] 为了实现上述废热与MVR技术联合，本发明提出利用废热驱动的机械蒸汽再压缩海水淡化方法和装置，将以锅炉废热蒸汽或燃气驱动的透平机与机械蒸汽再压缩蒸馏淡化海水的技术相结合起来，形成一套充分利用锅炉余热和利用海水蒸发二次蒸汽再压缩的高效节能的水淡化工艺方案。所述装置具体包括:输送物料的各种泵、海水预热器、蒸发器、机械蒸汽压缩机、透平机等。锅炉废热蒸汽或燃气驱动透平机工作，透平机通过传动齿轮或者传动轴带动机械蒸汽再压缩海水淡化系统的压缩机工作。经过预热的海水在蒸发器中蒸发，蒸发产生的蒸汽在压缩机中压缩升温，得以提高热值，然后再进入蒸发器的加热室中冷凝，释放的潜热作为热源加热海水，如此循环往复，实现热量的循环。冷凝的蒸汽就是产品淡水，冷凝水和卤水以及驱动透平机工作的介质再回到海水预热系统中预热海水，使海水达到蒸发所需的温度。同时，驱动透平机工作的介质再回到海水预热系统中被冷凝形成低压，为透平机工作提供所需要的压力差。

[0030] 在本发明提供的方法和装置中，由于机械压缩机是维持该装置运转的热源，压缩使蒸汽温度提高获得的热量是海水蒸发的热量来源。而且与传统电能驱动的机械蒸汽再压缩海水淡化系统不同的是：通过机械能把低品位蒸汽变为高品位蒸汽用于在整个过程中，系统所消耗的能源就是透平机驱动压缩机的能量，而无需输入电能、化石能源，不仅有效的利用了可再生资源，节约了能耗和投资成本，也减少了废气的排放。

[0031] 优选地，在透平机驱动介质入口处设置流量和温度的检测和控制设备，并与PLC控制组连接和受其控制，用于在废热蒸汽/燃气流量和热值过赢时调节去驱动透平的介质量。作为优选选项，当没有合格的废热蒸汽或燃气驱动透平机工作时，可以使用电能驱动整套系统的运转。这些前述设置能充分利用富余的压力较高的蒸汽，并解决在机组低负荷、机组停运工况下压缩机功率不足的问题，实现本系统的多工况运行。

[0032] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

[0033] 参见图1，海水淡化方法包括以下步骤。

[0034] 海水由海水进料泵1进入海水预热器4中完成预热，预热后的海水温度可以满足蒸发的要求，然后进入蒸发器5蒸发，蒸发器5为组合式蒸发冷凝器，能耗小。

[0035] 在蒸发器5中，用于操作压力为负压，海水在蒸发器内沸腾形成蒸汽，残余的海水形成卤水。蒸汽由捕沫器8处理后由机械蒸汽压缩机9吸入压缩机进行压缩。提高温度和压力的蒸汽再重新进入蒸发器5作为加热介质重新使用。

[0036] 在海水预处理器4的出口处安装有温度监测设备，通过PLC控制柜的集中控制，与透平机10的功率控制模块相连，通过控制透平机10和压缩机的功率，控制蒸发器5内的能量输入，确保持续稳定的产生淡水以及整套装置的全自动操作和连续化生产。

[0037] 蒸发产生的卤水和冷凝得到的淡水分别由输送泵输送到海水预热器4中预热海水，在回收余热后去储罐7或者储槽。透平机10的驱动介质在驱动透平后也在该段用于加热海水，形成的冷凝液或者乏汽由泵送至冷凝水槽或者外排。

[0038] 当锅炉高负荷运转时，需要控制透平机10的功率输出，使压缩机9的功率不至于过大而影响淡化系统；当锅炉运转不足或者停止运行，但同时海水淡化系统仍然需要运行时，需要提供电能，以驱动压缩机9的运行。

[0039] 如上所述，本发明海水淡化方法正常运行时，完全不需要外加常规能源，大大降低了能耗和海水淡化成本；同时，本发明方法所需要的设备简单、设置方便。

[0040] 以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。