专利名称：一种循环冷却水的脱盐方法
技术领域：
本发明提出一种循环冷却水的脱盐方法，属于工业水处理领域。本发明采用膜蒸馏技术，利用防腐蚀工业换热器和冷却塔的热交换维持膜蒸馏器膜两侧的稳定温差，完成循环水的脱盐过程。将膜蒸馏器冷侧低浓度循环水返回冷却塔循环，实现循环冷却水的低盐浓度运行，循环水补水只是弥补系统的蒸发损失与膜蒸馏器排放的浓盐水量。该方法可大幅减少循环水补水与排污水量，减少直至取消缓蚀阻垢剂的使用，彻底改变现有工业循环冷却水的运行及处理方式。
背景技术：
工业冷却水总量占工业用水总量的60％以上，因此，在水资源日益紧张的今天，循环冷却水的处理方法成为节水的关键。循环冷却水系统主要由冷却塔、换热设备、循环水泵组成。循环水在系统内完成换热和冷却过程。在循环过程中，由于循环水靠水的蒸发带走热量，而在水蒸发的同时也形成所谓水量蒸发损失；并且伴随着风吹和泄漏损失。为保持一定的循环水水量、水质平衡和提高水的利用率，循环水系统需进行连续补水、排污和投加一定量的缓蚀阻垢剂。在循环水的上述各种水量损失中，只有排污是可以减少的。因此，只有设法减少排污量才能达到节水的目的。为此，国内外大多采用提高循环水的浓缩倍数的方法来达到此目的。主要表现在采用设置旁滤系统、污水处理后回用于循环水系统等方法上，其中最常用的方法是通过向水中投加阻垢、缓蚀剂的方式来提高浓缩倍数，但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)。
本发明中采用的膜蒸馏器是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程，例如当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进人另一侧，但由于热侧水溶液膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从热侧进人冷侧而冷凝，这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称其为膜蒸馏过程(Membrane Distillation，MD)。
虽然早在20世纪60年代就开始了较系统的膜蒸馏研究，但当时由于受到技术条件的限制，膜蒸馏的效率不高，在随后的一段时间里也出现了一些对该技术进行改进的专利，但在此后膜分离研究者致力于反渗透、超滤、微滤等膜技术来解决水处理问题，膜蒸馏一直没有引起人们的足够重视，直到20世纪80年代初由于高分子材料和制膜工艺方面迅速发展，膜蒸馏显示出其实用潜力，20多年来对这一新型膜分离过程的研究不断深人。关于膜蒸馏技术的应用和研究进展，可以参考相关文献(1.膜蒸馏技术及其应用研究进展，《膜科学与技术》第23卷第4期pp67～92)。
膜蒸馏技术具有如下的优点(1)膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性；(2)在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；(3)该过程可以处理极高浓度的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；(4)在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。
但膜蒸馏是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用率，所以在组件的设计上必需考虑到潜热的回收，以尽可能减少热能的损耗，并以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性，与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义。
在发明人所知范围内，目前在国内外均未有将膜蒸馏应用到循环冷却水除盐的发明创造。数十年来，膜蒸馏应用领域的研究开发工作主要集中在如中国专利申请01801127.6、02138636.6、93104942.3、01106877.9。其中“一种循环冷却水及低温水的处理方法”(公开号CN1448342)提出在循环冷却水系统中设置旁路净化线，其中采用反渗透作为主要排污手段。另有“一种工业循环冷却水的旁流处理方法”(公开号CN1522974A)与前一公开发明相似，只不过提出以离子交换作为主要的循环冷却水排污手段。“循环冷却水的处理方法”(日本专利JK 2003-121094)是为了控制敞开式循环冷却水系统中的粘泥附着，通过降低冷却水中溶解氧浓度，使微生物活性降低，再使粘泥控制剂作用于低活性的微生物，从而有效地防止粘泥附着。
目前，现有工业循环冷却水的处理技术还只是通过投加缓蚀阻垢剂、设置旁滤等手段来提高循环水的浓缩倍数，浓缩倍数的提高意味着水中盐含量的提高，含盐量的提高又要求加入更多的缓蚀阻垢剂，这是一个相互矛盾、相互制约的问题，这些技术并不能降低循环冷却水的盐含量。而目前反渗透除盐技术又具有处理成本高，排污量大等缺点，不利于工业化运行。所以现有技术的缺点主要表现在一、成本过高。电耗、阻垢缓蚀剂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。工业循环冷却水排污水中含有一定量的有机盐类缓蚀阻垢剂排入自然水体，必然对环境造成一定的污染。本发明的提出，可以克服现有工艺方法所存在的种种不足。
发明内容
本发明提出一种利用膜蒸馏对循环冷却水的脱盐技术，以现有敞开式循环冷却塔冷却系统为例，阐述用膜蒸馏技术处理工业循环冷却水的原理。
膜蒸馏技术在循环冷却水处理中的应用主要是在原有水处理的基础上增加膜蒸馏处理工艺，对原有循环冷却系统进行少量调整。
原有循环冷却水处理系统主要是由冷却塔、与多组工业换热器组成的热交换系统构成，将原有热交换系统中的某一级换热器更换为耐腐蚀换热器，利用它和膜蒸馏器构成膜蒸馏热水侧循环系统，换热器主要用来提高膜蒸馏器热侧的循环水温度。
在冷却塔循环系统中，经过工业换热器升温后的循环水分流一股高温排水(或低温排水)供给膜蒸馏循环，这股高/低温排水相当于原有循环水系统的排污水，在与膜蒸馏热侧循环的循环水混合后进入膜蒸馏器的热侧，利用膜蒸馏器中的微孔疏水膜两侧的温差形成的蒸汽压差作为驱动力，将水蒸汽由热侧传至冷侧，降温后的热侧循环水通过耐腐蚀工业换热器升温后继续循环浓缩。膜蒸馏器冷侧的循环水由冷却塔循环中经冷却塔降温后的循环水分流提供，并通过膜蒸馏器的传热、传质功能吸收水蒸汽及其潜热，然后循环至冷却塔冷却，在此循环中完成了对循环水的稀释过程。膜蒸馏热侧循环水完成传热、传质后，水中盐浓度大幅提高，在不影响膜蒸馏通量的情况下，可维持高盐浓度循环，只有在通量下降到一定程度时才进行高浓盐水的间歇排放。
利用膜蒸馏技术处理工业循环冷却水，可实现以下目标1、补水量、排污水量大幅下降从理论上讲，膜蒸馏可回收100％的水，但在实际运行中当盐达到一定浓度时继续浓缩对节水已变得毫无意义，在本工艺中，循环水系统不直接排污，排污由膜蒸馏装置间接排出，而膜蒸馏装置可维持很高浓缩倍数运行，所以循环水系统补充水量很小。理论上只需补充系统的蒸发损失及最终排污的水量。系统的排污水量也因为膜蒸馏热侧可维持高盐浓度运行而显著降低。
2、削减甚至取消缓蚀、阻垢剂，避免循环水排污对环境的污染目前提高循环水浓缩倍数减少排污的方法是向循环水中投加缓蚀阻垢剂。而缓蚀阻垢剂基本上是一些有机盐类，这些盐类随循环水排污，进入自然水体，对环境造成了一定的污染。本工艺中，吸收了水蒸汽(纯水)的膜蒸馏器冷侧循环水回流至冷却塔循环，对冷却塔循环的循环水进行不断稀释，通过设计膜蒸馏器的膜面积，可以维持该循环水在低盐浓度下运行，从根本上解决了盐的问题，因而可以减少甚至完全取消缓蚀、阻垢剂的使用。消除缓蚀阻垢剂给环境带来的污染。
3、废热利用，降低膜蒸馏处理成本膜蒸馏的运行费用主要是在热源上，本工艺中膜蒸馏器主要利用工业换热器的废热源，显著降低了处理成本。
总之，用膜蒸馏处理工业循环冷却水的技术是从充分利用系统废热、减少取水、减少排污水(有些排污水现成为重点监控的对象)、减少或取消缓蚀阻垢剂等的角度出发，从根本上改变现有工业循环冷却水的使用、处理方式。
结合附图
对本发明提出的方法进行进一步说明。
附图中，A、B、C、D分别代表膜蒸馏器、耐腐蚀工业换热器、工业换热器、冷却塔；1、2、3、4、5、6分别代表高温排水、低温排水、工业取水、蒸发损失、排污浓盐水、工艺介质；右侧粗实线中R-CT为冷却塔循环，左侧较细实线圈中R-MD为膜蒸馏循环；短虚线意味着多组工业换热器，长虚线意味着可选则的排水管线；细实线、粗实线及其箭头表示水流和方向。
应用实例一在火力发电厂循环冷却水中的应用。
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，大量的蒸发损失造成循环水的不断浓缩，只有通过大量补水及投加缓蚀阻垢剂来维持循环水一定浓缩倍数运行，造成处理成本的提高。
采用本发明的循环水除盐方法，将最后一级凝汽式汽轮机的冷凝器更换为聚四氟换热器B，使B与膜蒸馏器A组成膜蒸馏循环；从其它冷凝器C中获取了热量的循环水分一股水高温水1给如膜蒸馏循环R-MD，进入膜蒸馏器的热侧；从其它冷凝器C中获取了热量的循环水经冷却塔D降温后，也分一股降温水进入膜蒸馏器A的冷侧；两股水在膜蒸馏器A内的疏水微孔膜两侧进行传质、传热，使冷侧水升温并获取无盐水，流入冷却塔循环R-CT后，使循环冷却水得到稀释；微孔膜热侧的水经传质、传热后温度降低，水量不断减少，盐分增高，可通过补给热水1和控制排污水5来维持膜蒸馏器A的正常通量。实现循环冷却水的低盐浓度及高浓缩倍数运行，工业取水3只是弥补系统的蒸发损失4与膜蒸馏器排放的浓盐水量。该方法可大幅减少取水与排污水量，减少直至取消缓蚀阻垢剂的使用，可改变现有工业循环冷却水的使用、处理方式。
应用实例二在炼焦行业中的应用炼焦气化厂鼓风冷凝循环水系统为3台1400m2煤气初冷器和1台60×10kW制冷机组提供循环冷却水，系统保有水量约400m3，循环水量约800m3/h。该循环水系统靠近焦炉、煤场和焦场，受粉尘影响较大。另外，该段循环水的补充水源为煤矿深井水经过冷却器换热后回用的二次用水，其温度、硬度、浊度等都较高，水质变化大，导致整个系统内的管道和换热设备出现了严重的结垢和腐蚀，严重地影响了生产的安全与稳定。采用本发明的循环水除盐方法，将其中一台煤气初冷器的冷凝器更换为聚四氟换热器B，使B与膜蒸馏器A组成膜蒸馏循环；从其它冷凝器C中获取了热量的循环水分一股高温水1给如膜蒸馏循环R-MD，进入膜蒸馏器的热侧；从其它冷凝器C中获取了热量的循环水经制冷机组D降温后，也分一股降温水进入膜蒸馏器A的冷侧；两股水在膜蒸馏器A内的疏水微孔膜两侧进行传质、传热，使冷侧水升温并获取脱盐水，流入冷却塔循环R-CT后，使循环冷却水得到稀释；微孔膜热侧的水经传质、传热后温度降低，水量减少，盐分增高，可通过补给热水1和控制排污水5来维持膜蒸馏器A的正常通量。实现循环冷却水的低盐浓度及高浓缩倍数运行，工业取水3只是弥补系统的蒸发损失4与膜蒸馏器排放的浓盐水量。该方法可大幅减少取水与排污水量，取消缓蚀阻垢剂的使用，可改变现有工业循环冷却水的使用、处理方式，满足生产要求降低生产成本。
权利要求
1.一种循环冷却水的脱盐方法，其特征是在冷却塔循环系统中，经过工业换热器升温后的循环水分流一股高温排水(或低温排水)供给膜蒸馏循环，该股水与膜蒸馏循环的循环水混合后进入膜蒸馏器的热侧，利用膜蒸馏器中的微孔疏水膜两侧的蒸汽压差为驱动力，将水蒸汽由热侧传至冷侧，降温后的热侧循环水通过耐腐蚀工业换热器升温后循环浓缩；膜蒸馏器冷侧的循环水由冷却中经冷却塔降温后的循环水分流提供，并通过膜蒸馏器的传热、传质功能吸收水蒸汽及其潜热，然后循环至冷却塔冷却，在此循环中完成了对循环水的稀释过程；膜蒸馏热侧循环水完成传热、传质后，水中盐浓度大幅提高，在不影响膜蒸馏通量的情况下，可维持高盐浓度循环，只有在通量下降到一定程度时才进行高浓盐水的间歇排放。
2.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，其特征在于将原有冷却系统中的某一级工业换热器更换为耐防腐蚀换热器，利用它和膜蒸馏器构成膜蒸馏循环。
3.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，其特征在于膜蒸馏器可以采用多个小型膜蒸馏器进行并联、串联组合，以达到循环水高浓缩倍数运行的要求。
4.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，其特征在于工业冷却塔循环的工业换热器可以采用多个工业换热器串联、并联组合方式。
5.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，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。
6.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，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。
7.如权利要求1所说的一种循环冷却水的脱盐方法，其特征在于冷却塔循环可以为密闭循环也可为敞口循环。
全文摘要
本发明提出一种循环冷却水除盐方法，属于工业水处理领域。本发明采用膜蒸馏技术，利用耐腐蚀工业换热器和冷却塔的热交换维持膜蒸馏器膜两侧的稳定温差，完成循环水的脱盐过程。将膜蒸馏器冷侧低浓度盐水返回冷却塔循环，实现循环冷却水的低盐浓度运行，循环水补水只是弥补系统的蒸发损失与膜蒸馏器排放的浓盐水量。该方法可大幅减少循环水补水与排污水量，减少直至取消缓蚀阻垢剂的使用，彻底改变现有工业循环冷却水的运行及处理方式。
文档编号C02F1/04GK1962467SQ20051011766
公开日2007年5月16日 申请日期2005年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者王小军, 王军 申请人:王小军, 王军