申请日2005.11.17
公开(公告)日2007.05.23
IPC分类号C02F1/16; C02F1/08
摘要
本发明提出的一种充分利用工业系统内废热，采用膜蒸馏法对工业冷却水进行处理的方法，属于工业水处理的技术领域。包括：在原有冷却水处理循环的基础上增加膜蒸馏工艺循环单元而形成三个水处理循环单元，通过膜组件的传质、传热功能将获取的废热部分转移到膜蒸馏单元的产水侧，获取纯水。可有效解决膜蒸馏过程的能耗问题，并大幅降低工业除盐水的生产成本，同时可降低药耗、节约能源、节约取水和减少排污。
权利要求书
1、一种工业水的处理方法，其特征是：
工业冷却器与膜蒸馏器的热侧构成工业冷却器循环(简称R1)， 在该循环中，低温工业取水首先进入工业冷却器获取废热，再循环至 膜蒸馏器的热侧，通过膜蒸馏器的传热与传质功能将部分热量传递到 冷侧，降温后的冷却水一部分分流至冷却塔循环单元，剩下的一部分 和工业取水合并后再次进入工业冷却器循环工作;
膜蒸馏器的冷侧与工艺冷却器的热侧构成膜蒸馏器循环(简称 R2)，在该循环中，循环介质通过膜蒸馏的传热、传质功能吸收水蒸 汽后，温度升高，流经工艺冷却器的热侧，将热量传至冷却塔循环单 元，降温后的循环介质再循环至膜蒸馏器的冷侧进行传热、传质，吸 收的水蒸汽以纯水的形式外供;
冷却塔与工艺传热器的冷侧构成冷却塔循环(简称R3)，从工业 换热器循环分流入的弥补蒸发损失及维持盐平衡的高温水与从工艺 冷却器出来的升温水合并后进入冷却塔降温，通过冷却塔的蒸发损失 完成最终的工业冷却，然后再循环至工艺冷却器进行热交换，升温后 的一部分循环水作为排污水外排，以维持系统内的盐平衡。
2、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：在 原有工业冷却水处理模式上增加了膜蒸馏工艺单元，如图中虚线椭圆 圈内所示，包括膜蒸馏器和工艺冷却器，并由此形成工业冷却器循环、 膜蒸馏器循环、冷却塔循环三个水的循环单元。
3、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：膜 蒸馏器循环的循环介质为工业脱盐水。
4、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：系 统中膜蒸馏器可以增加1～2效膜蒸馏过程，以增加纯水产量。
5、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：工 艺冷却器采用防腐蚀换热器。
6、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：膜 蒸馏器循环的膜蒸馏器可以采用多个小型膜蒸馏器进行并联、串联组 合，以达到产水要求。
7、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：工 业冷却器循环的工业冷却器可以采用多个工业冷却器串联、并联组合 方式。
8、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：膜 蒸馏器的热侧与冷侧的循环介质可采用错流或并流流态方式进行传 热、传质。
9、如权利要求1所说的一种工业水的处理方法，其特征在于：所 用膜蒸馏器可采用直接接触膜蒸馏、真空膜蒸馏、空气隙膜蒸馏膜蒸 馏类型。
说明书
一种工业水处理的方法
一、技术领域
本发明属于工业水处理的技术领域，特别涉及一种利用工业系统内废热， 采用膜蒸馏法对工业冷却水进行处理的一种工业水处理方法。
二、背景技术
水资源短缺和污染问题的日益突出，以及生产装置长周期运行和企业可持 续发展的迫切需要，促进了工业循环冷却水技术的迅速发展，也对水处理提出 了更高的要求，使循环玲却水处理技术面临新的挑战和发展机遇。在全世界城 市供水中，用于工业冷却和除盐水生产的取水超过一半。在工业发达的国家， 工业用水85%以上都经循环冷却水处理。很多工业领域如电力、化工行业通常 都具有工业冷却和除盐水生产的需求。
工业循环冷却水研究的宗旨是如何将循环冷却水中携带的废热弃于环境又 不致引起环境热影响超标。其通常采用水冷的方法并以水的循环冷却方式为主。 原理为：低温的冷却水通过热交换器与待冷却的工业介质或设备发生热交换后 自身温度升高，然后进入敞开式通风冷却装置如冷却塔，并主要通过在冷却塔 中的水蒸发带走蒸汽潜热的方式重新冷却为低温水供循环使用。在使用过程中， 循环冷却水的水质有不断恶化的趋势，主要是溶解性盐浓度增加，其危害主要 是引起结垢和腐蚀，为此需要及时从系统中排出。在实际生产中几乎都是通过 提高整个循环冷却水浓缩倍数、然后根据盐的平衡排出一定水量(称为排污) 的方式，保持循环冷却水盐浓度的稳定，并根据系统内水量平衡的原则补入相 应量的工业取水。浓缩倍数越大，水的结垢和腐蚀趋势越大，目前工业中主要 是通过向水中投加具有阻垢和缓蚀作用的水处理药剂的方式来提高浓缩倍数。 大量阻垢剂的使用既增加了成本也污染了环境。(周本省，《工业水处理》，南京 化工大学，2000年)
工业除盐水主要是作为锅炉补水。目前用于工业除盐的手段主要是离子交 换、电渗析、反渗透、纳滤以及上述一些工艺的组合等。现有的除盐工艺存在 投资、消耗、产水率等诸多方面的缺点，综合的除盐水生产成本有时要高达7～ 8元/吨。(周本省，《工业水处理》，南京化工大学，2000年)
本发明旨在提出一种更经济和更清洁的工业水处理方法，其中采用了膜蒸 馏的除盐技术。
膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水微孔膜、以膜两侧的蒸汽压 力差为驱动力的膜分离过程。当不同温度的水溶液被疏水膜分隔的时候，由于 膜的疏水性，两侧的水溶液均不能通过膜进入另一侧。但由于高温侧水溶液与 膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝 成为渗出水，这种通过蒸馏的原理获得的渗出水是一种品质很好的纯水;浓水 则留在高温侧成为渗余水。膜蒸馏过程无须将溶液加热到沸点，只要膜两侧维 持适当的温差，该过程就能够进行，因此又被称为低温膜蒸馏。膜蒸馏最初是 为大规模海水脱盐而提出，早在上世纪60年代就开始了较系统的研究。与同为 膜法的反渗透工艺相比，膜蒸馏的优点非常显著：(1)膜蒸馏的过程几乎在常 压下进行，设备简单，操作方便;(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，由 于仅有水蒸气能透过膜孔，因此蒸馏液十分纯净;(3)可以处理极高浓度的含 盐水，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态而成为所谓的膜蒸馏结晶技术，因此 膜蒸馏的产水率可以远高于反渗透。但膜蒸馏的缺点也同样显著：由于膜蒸馏 是一个相变的过程，汽化潜热降低了热能利用效率，使膜蒸馏成为一种高耗能 的过程。这是限制膜蒸馏工艺应用的主要因素。关于膜蒸馏技术的应用和研究 进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术的回顾与展望，《天津城市建设学院学 报》第9卷第2期pp100～110;2.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与 技术》第23卷第4期pp67～92)。
目前，工业循环冷却水的处理主要缺点主要表现在：一、成本过高。电耗、 阻垢缓蚀，以及管理等方面的费用构成了高额的处理成本;二、能源的浪费。 工业循环冷却水中蕴藏的大量废热排入环境，造成能源的严重浪费;三、环境 污染问题。工业循环冷却水中蕴藏的大量废热排入环境，造成了明显的环境影 响问题。对冷却塔冷却而言，其蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进 入大气环境，会使空气局部温度、湿度升高。长期运行，失散的热量和水滴会 对局部小气候产生影响。同时，高温、浓缩液的排污会给水体带来热污染，甚 至影响水体生态平衡。因此，本发明的提出，以克服现有工艺方法所存在的种 种不足。其优点体现在：一、热充分利用。通过发明中的膜蒸馏技术，将工业 系统中存在的废热资源与工业除盐需求相结合，充分利用了能源，避免了资源 的浪费;二、处理成本降低。降低药耗、节约能源、节约取水和减少排污，特 别是大幅降低除盐水生产成本都使得本发明中的处理模式的处理成本明显降 低;三、显著降低环境污染程度。废热热能向除盐水的转移不仅降低了药耗、 节约能源、节约取水和减少排污，而且使排放到大气、水域中的热量降低，减 轻了环境受污染的程度，具有明显的社会和经济效应。
总之，含膜蒸馏法的工业水系统清洁模式是对现有工业水运行模式的系统 的原始创新，将全面提升工业水系统的清洁生产水平。
三、发明内容
本发明提出一种利用膜蒸馏除盐技术的工业水处理方法，说明如下：
与目前的工业循环冷却水处理方式相比，本发明在原有处理处理模式上增 加了膜蒸馏工艺单元，如图中虚线椭圆圈内所示，包括膜蒸馏器和工艺冷却器， 并由此形成工业冷却器循环(简称R1)、膜蒸馏器循环(简称R2)、冷却塔循环 (简称R3)三个水的循环单元。
R1循环由工业冷却单元与膜蒸馏器组成，获取废热的工业冷却水从工业冷 却器流出，进入膜整流器的热侧，通过蒸发将水(蒸汽)和热量(蒸汽潜热) 传递到膜蒸馏器的低温侧，热侧渗余水循环回工业冷却器。R1循环的补水来自 新鲜工业取水。
膜蒸馏器的冷侧与工艺冷却器的热侧构成R2循环。R2循环为产水循环， 其中作为循环介质的是工业除盐水，透过疏水性微孔膜的蒸汽被循环纯水吸收， 并成为所生产除盐水流出系统，透膜蒸汽所携带的潜热则通过R2循环传递至工 艺冷却器的冷侧。
工艺冷却器的冷侧与冷却塔构成R3循环，R3循环中的循环水吸收了R2循 环传导过来的部分蒸汽潜热后进入冷却塔进行冷却，通过冷却塔的蒸发损失完 成最终的工业冷却。R3循环的补水来自R1循环的排水。
随着无盐水的转移到R2循环，R1循环中的盐浓度不断提高，通过向R3循 环中排入渗余水，同时维持一定的工业取水，R1循环可以维持稳定的工作状态。 由于蒸发损失及含盐渗余水的加入，R3循环的通过最终排污方式维持稳定的水 质水量。
如附图所示的工业水系统清洁模式包含了两效蒸发，膜蒸馏过程相当于第 一效蒸发，蒸汽被有效收集为产水，冷却塔相当于第二效蒸发，蒸发的目的仅 为散发工业废热。理论上还可以增加1～2效膜蒸馏过程，以增加纯水产量。由 于膜蒸馏过程的能耗问题在这里得到有效解决，因此有望大幅降低工业除盐水 的生产成本。
结合附图对本发明提出的方法进行进一步说明。
附图中，粗实线框表示装置或组合装置，粗虚线表示疏水性微孔膜，虚线 椭圆圈内为膜蒸馏工艺单元，细实线及其箭头表示水流和方向，空心箭头代表 热能传递方向，方框内、方框旁以及线旁的文字和数字为标注。R1为工业冷却 器循环，R2为膜蒸馏器循环，R3为冷却塔循环。1为工业取水，2为工业除盐 水，3为蒸发损失，4为最终排污，5为I段排水。A为工业冷却器，b为膜蒸 馏器，c为工艺冷却器，d为冷却塔。
应用实例一：在火力发电厂循环冷却水中的应用。
火电厂的燃料燃烧总发热量中只有35%左右转变为电能，而60%以上的热 能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。相比之下， 循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。
利用大中型火力发电厂凝汽式汽轮机的排汽在冷凝器中被来自冷水塔水池 的循环水冷却，蒸汽凝结成水，放出凝结热。此热量被通过冷凝器的循环水带 走。循环水温度提高后，再回到冷水塔中进行冷却，将带出的热量释放到大气 中。此部分浪费掉的热量称为火力发电厂的冷源损失，冷源损失约占火力发电 厂总能量的60%左右。为了消除或降低冷源损失，采用如上所示膜蒸馏清洁生产 循环工艺，循环水从气轮机的冷凝器中获取废热后进入膜蒸馏组件热侧，与冷 侧的除盐水进行传质与传热。升温后的除盐水在工艺热交换器中与冷却塔循环 的水进行热传导，使除盐水降温，满足膜蒸馏组件的温度要求。最后通过冷却 塔的蒸发损失完成最终的工业冷却。升温后的除盐水可作为锅炉给水，提高锅 炉给水温度，减少冷源损失，降低火力发电厂的水耗、汽耗和热耗，提高火电 厂的循环效率。
应用实例二：在纺织印染行业中的应用
目前高温高压溢流染色机进行加工织物时，在染色工序完成后、由于缸体 的染液处于高压(一般在0.4-0.6MPa)、高温(一般在130℃左右)状态下，直接 排液会引起织物强烈收缩起皱，影响染色质量，同时会损坏外部的沟道并危及 操作人员的安全。所以，通常的做法是先泄压冷却降温，然后进行水洗。高温 高压溢流染色机中染液的冷却降温，是利用冷却水通过热交换器来实现的。每 进行一次高温高压染色加工，都要用冷却水进行冷却，由于冷却水每次的用量 相对较少(视不同工艺约为加工布重的20-40倍)，而且为间歇式排放，使回收 再利用这部分冷却水有一定的难度。
采用如附图所示膜蒸馏清洁生产循环工艺，将利用高温高压溢流染色机染 色后的泄压高温水利用热交换器将热量传递给循环冷却水，获取热量后的循环 水进入膜蒸馏组件的热侧，利用温差作驱动力，将蒸汽传递给膜蒸馏组件冷侧 的除盐水。升温后的除盐水在工艺热交换器中与冷却塔循环的水进行热传导， 使除盐水降温，满足膜蒸馏组件的温度要求。升温后的冷却塔循环的水最后通 过冷却塔的蒸发损失完成最终的工业冷却。升温后的除盐水可作为锅炉给水， 提高锅炉给水温度，降低染织厂的锅炉给水的水耗、热耗、药剂消耗，提高冷 却水的利用率。
