一种高效MVR集成化海水淡化装置及海水淡化方法

摘要

本发明涉及一种高效MVR集成化海水淡化装置及方法，淡化装置包括主机柜，设置在主机柜内的预处理模块、加热和余热回收模块、机械蒸汽再压缩模块及PLC控制柜，设置在主机柜外的蒸发模块，以及连接管道；预处理模块包括自反洗过滤器，加药装置，三向控制阀；加热和余热回收模块包括冷凝淡水换热器和浓盐水换热器，脱气装置，淡水罐，连接管道包括海水管道，冷凝淡水产水管，浓盐水排出管，浓盐水循环管；各模块均与PLC控制柜连接并受控制。本发明设备紧凑，体积小，组装精度高，可以按照模块进行加工，维护时可以按照功能分块进行，现场安装和拆卸方便，采取本发明装置和方法进行海水淡化，能耗低，操作简单，可实现大规模的应用和普及。

说明书

技术领域

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装置及方法。 

背景技术

我国人口众多，淡水资源日趋紧缺，发展海水淡化技术对解决淡水资源的匮乏具有重要的意义。以蒸发方法为基础的海水淡化技术具有膜分离、离子交换等方法所不具有的产水水质、成本等优势。但是传统的单效及多效蒸发技术需要提供大量生蒸汽，并需配置燃煤锅炉及冷却系统，会造成难以避免的能源消耗和产生大量的废物排放。同时造成系统整体结构复杂，体积庞大，操作和维护困难，运行成本急剧上升。

机械蒸汽再压缩是一种蒸发工艺，简称MVR(Mechanical Vapor Recompression )。是指在蒸发中，将二次蒸汽绝热压缩，随后将其送入蒸发器的加热室作为热源重新使用的一种办法。二次蒸汽经压缩后饱和温度升高，与器内沸腾液体形成足够的传热温差，故可重新作加热剂用。因此只须补充一定量的压缩功，便可利用二次蒸汽的大量潜热。MVR方法不需要外部的热源，系统的能耗仅为压缩机和各类泵的能耗，所以节能效果相当显著。同时造成系统整体结构简单，占地体积小，操作和维护简单，具有可观的经济效益。

海水中还有大量的氯离子，在高温下会对设备造成严重的腐蚀。另外，低温操作的设备热损失较低，可以节约大量的能源。因此，低温低压海水淡化方具有显著的优势。

根据目前检索得到的专利信息，中国发明专利201110104604.7、201010300875.5以及200910138238.X、CN101591042A等均提供了太阳能热压缩式MVR海水淡化装置，但是这些专利都未对海水中的溶解气进行处理。201010300875.5对浓盐水和产品淡水的余热也没有进行回收，造成了能源的极大浪费。另外，这些专利都需要对工作环境有苛刻的要求，设备和装备复杂，以专利200910138238.X为例，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。

中国发明专利20031010755.7公布的MVR海水淡化装置的技术方案是包括蒸汽机械压缩机、多个蒸发器和置于蒸发器内的冷凝管、喷淋系统、淡水箱和除沫网，蒸汽机械压缩机的出口与多个蒸发器中的第一效蒸发器内的冷凝管连接，冷凝管与淡水箱连接，第一效蒸发器的蒸汽出口与下一效蒸发器内的冷凝管连接，类推至最末一效蒸发器，多个蒸发器实现多效逐级蒸发。该工艺设备复杂，且没有对系统产生的余热进行回收。

综上，目前的技术存在诸多的不足，在工艺方面，未考虑海水淡化的操作条件，不凝气造成的传热阻碍；另外，由于大量的海水淡化装置是安装在昼夜温差大的海岛、室外，现有的专利也未考虑到淡化系统的运行稳定性；在装置方面，并未有专利提出集成化概念，不利于在船只、占地面积有限的地方安装使用，而传统的工艺的对海水的预处理在沉淀池中进行，无法实现集成。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能耗低、运行稳定的高效MVR集成化海水淡化装置。

本发明同时提供一种能耗低、运行稳定、操作方便的海水淡化方法。

为解决以上问题，本发明采取的一种技术方案如下：

一种高效MVR集成化海水淡化装置，其包括主机柜，设置在主机柜内的预处理模块、加热和余热回收模块、机械蒸汽再压缩模块以及PLC控制柜，设置在主机柜外的蒸发模块，以及连接管道；

预处理模块包括与海水进料管连通的自反洗过滤器，向海水进料管内加入预处理所需药剂的加药装置，将过滤后的海水分成二路的三向控制阀；

加热和余热回收模块包括与三向控制阀的出水端分别通过管道连通的冷凝淡水换热器和浓盐水换热器，对换热后的海水进行脱气的脱气装置，以及用于储存冷凝淡水的淡水罐；

蒸发模块包括蒸发器、用于除去由蒸发器所产生的蒸汽中夹带的泡沫的除沫器；

机械蒸汽再压缩模块包括机械蒸汽压缩机；

连接管道包括两端分别与脱气装置和蒸发器连通的海水管道，两端分别与蒸发器和冷凝淡水换热器连通的冷凝淡水产水管，两端分别与蒸发器和浓盐水换热器连通的浓盐水排出管，两端分别与海水管道和浓盐水排出管连通的浓盐水循环管；

所述各模块均与PLC控制柜连接并受控制。

进一步地，主机柜为长方体，包括内框架和可拆卸地设置在内框架上的面板，面板内置保温材料层，面板外设有喷涂层，面板上开设有通风孔。

进一步地，所述主机柜内的部件采取分块布置方式，预处理模块、加热和余热回收模块、机械蒸汽再压缩模块以及PLC控制柜分别设为一块。

优选地，所述冷凝淡水换热器、浓盐水换热器均为板式换热器。

优选地，所述的预处理模块还包括与PLC控制柜连接并受控制的流量检测设备、水温检测设备和浊度检测设备。

优选地，所述脱气装置包括真空脱气塔。

优选地，所述的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。

优选地，所述蒸发器内安装有压力检测设备、水温检测设备和盐水浓度检测设备。

优选地，所述的压缩机为变频控制压缩机，并且配备有温度和压力检测设备。

优选地，所述的连接管道还包括用于将除沫器产生的水循环回蒸发器的回收管。

进一步地，预处理模块还包括在海水加药装置与海水进料管之间的管道上设置的单向控制阀。

进一步地，蒸发模块还包括设置在浓盐水循环管上的单向控制阀。

本发明采取的又一技术方案是：

一种利用上述高效MVR集成化海水淡化装置进行海水淡化的方法，其包括如下步骤：

(1)海水预处理：将进料海水通入自反洗过滤器进行过滤；

(2)海水预热：经自反洗过滤器过滤后的海水由三向控制阀分成二路，分别经过冷凝淡水换热器和浓盐水换热器进行预热，使海水达到蒸发所需温度；

(3)脱气：预热后的海水进入脱气装置，脱除室温不凝结气体；

(4)蒸发：脱气后的海水与循环回的浓盐水一起进入蒸发器，海水在蒸发器内蒸发，蒸发在负压下进行，部分海水汽化形成水蒸汽，残余的海水形成卤水；

(5)蒸汽再压缩：海水汽化形成的水蒸汽经除沫器除沫后进入机械式蒸汽压缩机进行压缩，压缩后温度和压力提高的蒸汽进入到蒸发器中，在蒸发室内释放热量后冷凝形成冷凝淡水，产生的冷凝淡水进入冷凝淡水换热器中与进料海水换热后送至淡水罐，除沫产生的水通过回收管进入海水管道，与海水一起送入蒸发器中；

 (6)蒸发产生的浓盐水的一部分循环，与海水混合，进入到蒸发器中，剩余部分通入到浓盐水换热器中与进料海水进行换热。

根据本发明，根据海水的实际情况，可选择性地通过加药装置向进料海水中加入药剂对海水进行处理。药剂通常为絮凝剂、阻垢剂、杀菌剂等。

优选地，步骤(4)中，蒸发器的操作压力为9.6KPa~84.5KPa，蒸发温度为45℃-95℃。

优选地，步骤(2)中进入冷凝淡水换热器的冷凝淡水的温度为60~100℃，进入浓盐水换热器的浓盐水的温度为45~95℃。

优选地，经过冷凝淡水换热器的海水与经过浓盐水换热器的海水的流量比为1:0.8~1.2。

优选地，步骤(6)中，将产生的浓盐水的5%~30%循环回蒸发器中。更优选地，将产生的浓盐水的8%~15%循环回蒸发器中。将要循环回蒸发器的浓盐水与脱气后的海水混合后，一起通入蒸发器中。更优选地，通过浓盐水循环泵将浓盐水打入海水进料管道中，且将浓盐水循环泵管与浓盐水排出管连通，通过控制浓盐水循环泵的流量来控制循环浓盐水的量。

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：

1、本发明为集成化装置，设备紧凑，体积小，组装精度高，可以按照模块进行加工，维护时可以按照功能分块进行，现场安装和拆卸方便；

2、本发明采用自反洗过滤器代替传统的沉淀池对海水进行过滤，解决了传统装置无法集成的不足，同时，大大缩短了预处理时间，自反洗过滤器可以定时自动关清洗，减少了维护和停机所带来的影响；

3、海水中溶解有一定比率的气体，这些气体在温度升高和海水盐度增高时，会逐渐析出，夹杂在蒸汽中。当蒸汽在蒸发室作为加热介质冷凝时，这些蒸汽不会冷凝，这些不凝气的存在会使系统冷凝压力升高，对传热过程造成很大的阻碍，本发明装置可在蒸发前，将海水中的溶解气脱除，改善了蒸发器的传热效果，降低了能耗；

4、本发明利用换热器将蒸发器中出来的冷凝淡水和浓盐水的余热回收用以预热海水，无需对系统进行额外的热量输入，有效地降低了能耗；

5、本发明增设浓盐水循环管，将部分浓盐水循环，能够有效的维持系统的稳定，同时也高效地回收了余热，降低了能耗。

6、本发明方法的能耗可降低至传统机械蒸汽再压缩海水淡化方法的25%及以下，极大的降低了海水淡化成本，同时本发明对设备和场地要求较低，操作简单，可实现大规模的应用和普及。

附图说明

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明：

图1为根据本发明的高效MVR集成化海水淡化装置的平面示意图；

图2为根据本发明的高效MVR集成化海水淡化装置的结构示意图； 

其中：A、主机柜；B、预处理模块；C、加热和余热回收模块；D、蒸发模块；E、机械蒸汽再压缩模块；F、控制柜；1、加药装置；2,8、单向控制阀；3、自反洗过滤器；4、三向控制阀；5、冷凝淡水换热器；6、浓盐水换热器；7、真空脱气塔；9、蒸发器；10、除沫器；11、机械蒸汽压缩机；12、淡水罐；13、冷凝淡水产水管；14、浓盐水排出管；15、浓盐水循环管；16、海水管道；17、回收管。

具体实施方式

参见图1，高效机械蒸汽再压缩海水淡化装置包括主机柜A、五大模块以及连接各模块的连接管道以及提供海水动力的泵。五大模块分别为预处理模块B；加热和余热回收模块C；蒸发模块D；机械蒸汽再压缩模块E以及控制柜F。各模块按照同一规格生产和装配，实现产品多系列设置的通用性。五大模块中除了蒸发模块D外，均分块布置在主机柜A内，这些模块的具体排列以使结构最紧凑为准。蒸发模块D设于主机柜A外，方便蒸发器的清洗维护。主机柜A为长方体，采用框架结构设计，具体包括内框架、可拆卸的设置在内框架上的面板，面板内置保温材料层，外设喷涂层。面板上开设有通风孔。

预处理模块B包括与海水进料管连通的自反洗过滤器3，向海水进料管内加入预处理所需药剂的加药装置1、设置在加药装置1与海水进料管之间的管道上的单向控制阀2，以及将过滤后的海水分成二路的三向控制阀4。此外预处理模块B还包括流量检测设备、水温检测设备和浊度检测设备，所有检测设备均与PLC控制柜F连接并受控制，当浊度超过系统阈值时，该设备可以自动关停，以保护其它模块不会受到污染，此时需要更换自反洗过滤器3的过滤组件。

加热和余热回收模块C包括与三向控制阀4的出水端分别通过管道连通的冷凝淡水换热器5和浓盐水换热器6，真空脱气塔7，以及淡水罐12，在冷凝淡水换热器5和浓盐水换热器6的出口设有温度检测设备，在冷凝淡水换热器5和浓盐水换热器6与PLC控制柜连接并受控制。真空脱气塔7设置在换热器的下游，用于将预热后的海水中的室温不凝结气体脱除，从而改善蒸发器的传热效果，降低能耗。采取真空脱气方式，设备简单，且过程中不使用任何药品。

蒸发模块D包括蒸发器9、除沫器10、单向控制阀8，其中蒸发器9为能耗小的组合式蒸发冷凝器。在蒸发器9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。蒸发器9内安装有压力检测设备、水温检测设备和盐水浓度检测设备。蒸汽由除沫器10处理后由机械式压缩机11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9作为加热介质重新使用。除沫后产生的水经回收管17重新回到蒸发器9中。机械蒸汽再压缩模块包括机械蒸汽压缩机11，其为变频控制压缩机，并且配备有温度和压力检测设备。

本例中，连接管道主要包括两端分别与真空脱气塔7和蒸发器9连通的海水管道16，两端分别与蒸发器9和冷凝淡水换热器5连通的冷凝淡水产水管13，两端分别与蒸发器9和浓盐水换热器6连通的浓盐水排出管14，两端分别与海水管道16和浓盐水排出管14连通的浓盐水循环管15，两端分别与除沫器10和预热后的海水输送管道连通的回收管17，单向控制阀8设置在浓盐水循环管15上。 

本例中，装置中的所有运动件及检测仪表都是受PLC控制柜进行自动化控制，各模块和控制阀组均与 PLC 控制柜连接并受控制，实现了整套装置的全自动操作和连续化生产。

本发明进行海水处理时，海水第一步在预处理模块B中由加药装置1和自反洗过滤器3进行处理，除去泥沙等杂质和添加必要的处理药剂。在加热和余热回收模块C中，海水经过浓盐水换热器6、冷凝水换热器5回收浓盐水和冷凝淡水的余热，将温度提高后，进入真空脱气塔7去除不凝结气体，然后与循环浓盐水混合后进入蒸发器9中蒸发。在蒸发器9中，喷淋的海水在冷凝管外吸热沸腾，沸腾海水形成蒸汽，未沸腾海水形成浓盐水。蒸汽由除沫器10除沫后进入机械蒸汽压缩机11压缩后提高温度和压力再重新进入蒸发器作为加热介质重新使用。除沫产生的水从回收管17回到蒸发器9中。蒸发产生的浓盐水的一部分循环回到蒸发器9中，另一部分进入浓盐水换热器6中换热后排出。

应用实例

采用本发明装置来进行海水淡化，淡水的出水比率为50%，包括连续进行的下列步骤：

(1)、海水预处理：通过加药装置向进料海水中加入絮凝剂、阻垢剂等，并将加药处理后的海水通入自反洗过滤器进行过滤，除去泥沙等杂质；

(2)、海水预热：经过滤的约20℃的海水分成二路，进入浓盐水换热器6和冷凝淡水换热器5（流量比率为1:1），浓盐水换热器6和冷凝淡水换热器5分别通入有温度约75℃的浓盐水和温度约80℃的冷凝淡水，通过换热，海水的温度提高至约70℃，蒸发产生的全部冷凝淡水均送入冷凝淡水换热器5进行换热，蒸发产生的浓盐水的90%送入浓盐水换热器6进行换热，换热后的浓盐水排放。换热后的冷凝淡水产品排放至淡水罐12；

(3)、脱气：预热后的海水进入真空脱气塔7，脱除其中的溶解气，这些溶解气是室温不凝结的气体，包括氧气，氮气，二氧化碳等；

(4)、蒸发、再压缩：脱气后的海水与占浓盐水总量10%的浓盐水混合后进入蒸发器9，蒸发在温度70℃以及压力45KPa下进行，形成的蒸汽经除沫器10除沫后由机械蒸汽压缩机11压缩后提高温度至85℃和压力为57.8KPa后再重新进入蒸发器9的冷凝管内冷凝产生冷凝淡水，同时加热管外的海水形成蒸汽。 

采取该装置和方法，生产100m³的淡化水，所需能耗为约2000kW.h。

对比例

一种海水淡化方法，淡水的出水比率为50%，该方法包括连续进行的下列步骤：

(1)、海水预热：约20℃的海水经过常规的采取电加热方式的海水预热器进行预热至70℃；

 (2)、蒸发、再压缩：海水进入降膜蒸发器，在降膜蒸发器中，蒸发在温度70℃以及压力45KPa下进行，海水经过分布装置后完成喷淋，喷淋的海水在冷凝管外吸热沸腾，部分形成蒸汽，部分形成浓盐水，浓盐水送至浓盐水罐，形成的蒸汽由压缩机压缩后提高温度至85℃和压力为57.8KPa后再重新进入蒸发器的冷凝管内冷凝产生冷凝淡水，冷凝淡水送至淡水罐，同时加热管外的海水形成蒸汽。由于不凝气的存在，蒸汽在冷凝时会渐渐释放出不凝气，不凝气累计后会改变蒸汽的冷凝压力，造成系统温度的波动。

生产100m³的淡化水，所需能耗为约8000kW.h。

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。