專利名稱：一種太陽能零液體排放海水淡化裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用太陽能進(jìn)行液體電解質(zhì)霧化分離技術(shù)，特別是涉及一種太陽能零液體排放海水淡化裝置和方法。
背景技術(shù)：
作為補(bǔ)充淡水的一種重要途徑，隨著海水淡化技術(shù)的發(fā)展，特別是膜法技術(shù)中的能量回收裝置應(yīng)用和膜性能的提高，海水淡化作為可持續(xù)開發(fā)淡水資源的手段在越來越多的國家發(fā)展起來。然而，現(xiàn)行海水淡化方法水回收率較低，熱法海水淡化裝置由于蒸汽冷凝需要大量海水，故其淡水回收率為20% 50%，膜法海水淡化裝置的水回收率僅為30% 40%，其余大部分海水變成濃鹽水被直接排回大海。在脫鹽過程中主要加入阻垢劑防止由 于濃縮產(chǎn)生Ca2S04、CaC03、Ma (OH) 2等無機(jī)鹽垢堵塞膜或沉積在換熱管路上影響傳熱效果，對于膜法而言，還要定期或不定期加入殺生劑防止系統(tǒng)內(nèi)微生物污垢的生成；由于海水淡化過程伴隨著濃縮過程，高濃度鹽水中Cl—對設(shè)備的腐蝕非常嚴(yán)重。而且，隨著從海水淡化方法得到淡水需求的增加、海水淡化規(guī)模的增大，將有更多的高濃度、高溫(對于熱法海水淡化)、含有化學(xué)添加劑和腐蝕產(chǎn)物金屬離子在內(nèi)的受污染濃鹽水直接排入海洋?？梢钥隙ㄆ鋵Ｑ笊鷳B(tài)的影響程度必將加劇。因此，大規(guī)模海水淡化可能引發(fā)的環(huán)境問題引起了國際社會越來越多的關(guān)注，包括海水淡化濃鹽水排放對環(huán)境的潛在影響與海水淡化濃鹽水合理排放等，海水淡化排放濃水已影響到海洋生態(tài)環(huán)境，有關(guān)新技術(shù)開發(fā)非常必要。由于脫鹽過程伴隨著電能或熱能的消耗，從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)出發(fā)，用廢熱或清潔能源太陽能進(jìn)行海水脫鹽的技術(shù)研究也很多，主要是光熱法太陽能淡化、光伏法反滲透脫鹽、加濕脫濕法淡化，其中熱法太陽能淡化主要是將現(xiàn)有熱法海水淡化技術(shù)與太陽能加熱產(chǎn)生蒸汽的簡單連接，熱效率和單位面積太陽能產(chǎn)水率都低，由于是真空蒸發(fā)，設(shè)備啟動需要很長時間，太陽能又是不連續(xù)的能源，連續(xù)運(yùn)行需要其他輔助能源；太陽能光伏反滲透海水淡化能量轉(zhuǎn)化率低；加濕脫濕法淡化主要單位太陽能集熱面積是產(chǎn)水量小。從以上主要海水脫鹽技術(shù)涉及工藝和材料來看，隨在分離過程的進(jìn)行，無機(jī)物結(jié)垢出現(xiàn)、沸點(diǎn)升高和滲透壓變化會影響淡水的回收率。對于非常規(guī)的脫鹽方法，比如冷凍法，由于海冰融水含鹽量較高和儲存問題受到限制；普通的加濕脫-濕法同樣需要消耗常壓蒸發(fā)需要的蒸發(fā)潛熱；電吸附技術(shù)受到電極比表面荷電性能影響，還不適用處理濃鹽水。目前存在的流化床干燥技術(shù)耗能高，已知的膜法和熱法海水淡化技術(shù)在處理高濃度鹽水在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上存在瓶頸，尋求能實現(xiàn)海水包括處理高濃度鹽水零液體排放淡化裝置和方法非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種太陽能零液體排放海水淡化裝置和方法，目的之一是提供一種具有低能耗、無濃鹽水排放的海水或濃鹽水液固分離技術(shù)。本發(fā)明的目的之二是提供一種應(yīng)用清潔能源太陽能為主要能源進(jìn)行液固分離。由于熱法海水淡化都是基于宏觀尺度連續(xù)的二維換熱完成蒸發(fā)和冷凝過程，從微觀毛細(xì)現(xiàn)象和納米效應(yīng)聯(lián)想到液滴的蒸發(fā)，它由二維蒸發(fā)變成三維蒸發(fā)，連續(xù)性假定就不再有效，因為此時液滴的尺寸與其組成分子的尺寸僅大幾個量級，液滴分子的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)不能再被忽略。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)看，此量級上許多變量，如密度、溫度等失去了空間和時間續(xù)性的特點(diǎn)。隨著溫度的升高，水的表面張力和其蒸發(fā)熱會降低。根據(jù)已有的相關(guān)領(lǐng)域研究成果可以看出，介觀液滴在高溫蒸發(fā)過程中雖然處于亞臨界狀態(tài)，隨著溫度的升高，氣化潛熱和表面張力同時降低。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是提供一種太陽能零液體排放海水淡化裝置，設(shè)有熱空氣加熱裝置和霧化蒸發(fā)器，其中，熱空氣加熱裝置包括風(fēng)機(jī)(I)、氣量調(diào)節(jié)閥(2)和聚光太陽能空氣集熱器(3)，原海水儲罐(16)、加壓泵(15)、過濾器(14)和噴嘴(10)組成壓力噴霧裝置；聚光太陽能空氣集熱器(3)的出口與霧化蒸發(fā)器(4)底部相連接，霧化蒸發(fā)器⑷設(shè)有多路出口熱空氣分布器(9)、帶有篩網(wǎng)(6)、(7)、(8)、(11)的濕空氣出口和噴嘴(10)，從霧化蒸發(fā)器上部出來的高溫飽和熱空氣經(jīng)濕飽和空氣冷凝器(12)冷凝得到的淡水進(jìn)入淡水儲槽(13)，固體結(jié)晶從霧化蒸發(fā)器(4)下部出口到達(dá)固體結(jié)晶儲 槽(5)，原海水由原海水儲罐(16)經(jīng)加壓泵(15)加壓，通過微米過濾器(14)，然后到達(dá)噴嘴(10)。所述多路出口熱空氣分布器9空氣出口有兩個以上。所述濕飽和空氣冷凝器12的冷端流體可以用于原海水預(yù)熱。所述原海水儲罐16可以是儲存海水，也可以儲存其它不同濃度無機(jī)電解質(zhì)溶液。所述聚光太陽能空氣集熱器3為聚光加熱系統(tǒng)，可以是CPC聚光即熱或槽式聚光集熱或碟式聚光。所述噴嘴10可以是壓力霧化噴嘴也可以是空氣霧化噴嘴，噴嘴霧化壓力
0.3-0. 8MPa，霧化后液滴體積中位數(shù)直徑小于200 u m。所述霧化蒸發(fā)器4也可以用于不同濃度的液體電解質(zhì)濃縮。所述聚光太陽能空氣集熱器(3)加熱空氣溫度在100°C _400°C。本發(fā)明還提供一種太陽能海水淡化零液體排放裝置的分離方法，其中，空氣經(jīng)聚光太陽能集熱器加熱，經(jīng)噴嘴霧化的液滴在蒸發(fā)過程中多次與多路出口熱空氣分布器出口的干熱空氣接觸實現(xiàn)納米蒸發(fā)。本發(fā)明的效果是本發(fā)明避開滲透壓升高、沸點(diǎn)升高等因素影響，并且，不再添加任何阻垢劑、殺生劑等化學(xué)添加劑，用太陽能實現(xiàn)水份高效、快度蒸發(fā)。


圖I是本發(fā)明太陽能零液體排放海水淡化裝置示意圖；圖中I、風(fēng)機(jī) 2、氣量調(diào)節(jié)閥 3-聚光太陽能空氣集熱器 4、霧化蒸發(fā)器5、固體結(jié)晶儲槽 6、7、8、11、篩網(wǎng) 9、多路出口熱空氣分布器10、噴嘴 12、濕飽和空氣冷凝器 13、淡水儲槽 14、微米過濾器15、加壓泵 16、原海水儲罐。
具體實施例方式結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的一種太陽能零液體排放海水淡化裝置和方法詳細(xì)加以說明。本發(fā)明的原理基于電解質(zhì)水溶液在高溫干空氣中的蒸發(fā)過程就是水分子高度分散的過程，不同于一般加濕-脫濕分離過程，也不同與高耗能的流化床干燥技術(shù)，由于大多采用噴淋或填料使載體空氣達(dá)到操作溫度下濕度飽和，噴淋液滴遠(yuǎn)比噴霧液滴粒徑大，并且，熱空氣溫度低時，介觀蒸發(fā)效應(yīng)不顯著，本發(fā)明將電解質(zhì)溶液采用霧化方式預(yù)蒸發(fā)，霧化液滴體積中位數(shù)直徑在200 以下，加上從宏觀到微觀過程的快速低汽化潛熱的亞臨界蒸發(fā)過程，實現(xiàn)低能耗、快速液固分離。分離裝置和運(yùn)行方法主要應(yīng)用太陽能作為能源，用清潔可持續(xù)利用能源或工業(yè)廢熱作為電解液分離的主要能源，不但節(jié)約常規(guī)礦物質(zhì)能源，降低溫室氣體的排放。太陽能是清潔能源中應(yīng)該優(yōu)先關(guān)注的問題之一，太陽能應(yīng)用這些材料的工作溫度范圍可分為低溫(溫度< 100°c )，中溫(100°C< T < 400°C )，高溫度(T > 400°C )。一般平板集熱器或真空管集熱器可以滿足低溫需求，中溫需要拋物線聚光集熱器來提供，而高溫則由具有中央 接收器的蝶式集熱器完成。槽式拋物線聚光非常適合150°C _400°C的聚光集熱。如圖I所示，一種太陽能海水淡化零液體排放裝置和方法，包括風(fēng)機(jī)I、氣量調(diào)節(jié)閥2和聚光太陽能空氣集熱器3組成的熱空氣加熱裝置，原海水儲罐16、加壓泵15、過濾器14和噴嘴10組成壓力噴霧裝置；聚光太陽能空氣集熱器3的出口與霧化蒸發(fā)器4底部相連接，霧化蒸發(fā)器4設(shè)有多路出口熱空氣分布器9、帶有篩網(wǎng)6、7、8、11的濕空氣出口 ；從霧化蒸發(fā)器上部出來的高溫飽和熱空氣經(jīng)濕飽和空氣冷凝器12冷凝得到的淡水進(jìn)入淡水儲槽13，從霧化蒸發(fā)器，下部出口得到固體結(jié)晶物5，原海水由原海水儲罐16經(jīng)加壓泵15加壓，通過微米過濾器14，然后到達(dá)噴嘴10。多路出口熱空氣分布器5空氣出口在兩個以上。聚光太陽能空氣集熱器3為聚光加熱系統(tǒng)，可以是CPC聚光即熱或槽式聚光集熱或碟式聚光。噴嘴10可以是壓力霧化噴嘴也可以是空氣霧化噴嘴，噴嘴霧化壓力0. 3-0. 8MPa，霧化后液滴體積中位數(shù)直徑小于200 u m。聚光太陽能空氣集熱器3加熱空氣溫度在100°C _400°C。利用上述的海水淡化零液體排放裝置的分離方法是經(jīng)噴嘴霧化的液滴在蒸發(fā)過程中多次與多路出口熱空氣分布器出口的干熱空氣接觸實現(xiàn)多級納米蒸發(fā)。實施例I本發(fā)明的一種太陽能零液體排放海水淡化裝置，包括風(fēng)機(jī)I、氣量調(diào)節(jié)閥2和聚光太陽能空氣集熱器3組成的熱空氣加熱裝置；其特征是原海水儲罐16、加壓泵15、過濾器14和噴嘴10組成壓力噴霧裝置，噴嘴10前端霧化前壓力為0. 5MPa ;聚光太陽能空氣集熱器3的出口的熱空氣溫度為280°C，并與霧化蒸發(fā)器4底部相連接，霧化蒸發(fā)器4設(shè)有多路出口熱空氣分布器9、帶有篩網(wǎng)6、7、8、11的濕空氣出口 ；從霧化蒸發(fā)器上部出來的高溫飽和熱空氣經(jīng)濕飽和空氣冷凝器12冷凝得到的淡水進(jìn)入淡水儲槽13，從霧化蒸發(fā)器下部出口得到固體結(jié)晶物儲槽5，原海水由原海水儲罐16經(jīng)加壓泵15加壓，通過微米過濾器14，然后到達(dá)噴嘴10。實施例2本發(fā)明的一種太陽能零液體排放海水淡化方法，原海水由原海水儲罐16經(jīng)加壓泵15加壓，通過微米過濾器14，然后到達(dá)噴嘴10。經(jīng)噴嘴10霧化的液滴在蒸發(fā)過程中多次與多路出口熱空氣分布器9出口的干熱空氣接觸實現(xiàn)多級納米蒸發(fā)。太陽能零液體排放海水淡化過程含鹽量為35000mg/L的海水，由原海水儲罐16經(jīng)加壓泵15加壓到0. 6MPa，通過規(guī)格為10微米的過濾器14，然后到達(dá)噴嘴10。噴嘴10霧化的體積中位數(shù)直徑為120 iim，槽式聚光太陽能空氣加熱，3出口空氣溫度為265°C，經(jīng)過四級出口熱空氣分布器9，由擴(kuò)散和蒸發(fā)得到的水蒸汽進(jìn)入空氣流中，并經(jīng)帶有篩網(wǎng)6、7、 8、11的濕空氣出口到達(dá)空氣冷凝器12，冷凝得到的淡水進(jìn)入淡水儲槽13，冷凝器前混合飽和濕空氣溫度為80°C，出冷凝器飽和濕空氣溫度為45°C并排空，得到含鹽量為270mg/L的淡水進(jìn)入淡水儲13。固體結(jié)晶從霧化蒸發(fā)器4底部出口到達(dá)固體結(jié)晶儲槽5。實施例34m2水平放置焦距為27. 5mm的拋物線聚光集熱系統(tǒng)，受熱管為小58/70雙通真空集熱管，空氣流量為25m3/h，空氣溫度由環(huán)境溫度23°C升至260°C，20°C的海水以流速3L/h在0. 4MPa壓力下霧化，控制出口濕空氣溫度在75°C，海水中水分完全蒸發(fā)，得到結(jié)晶鹽IOOg,同時還得到含鹽量為300mg/L的淡水3L。本實施例具有所述的太陽能零液體排放海水淡化裝置和方法，工藝簡單、無需添加任何化學(xué)添加劑，實現(xiàn)零液體排放。
權(quán)利要求
1.一種太陽能海水淡化零液體排放裝置，設(shè)有熱空氣加熱裝置和霧化蒸發(fā)器，其特征在于熱空氣加熱裝置包括風(fēng)機(jī)(I)、氣量調(diào)節(jié)閥(2)和聚光太陽能空氣集熱器(3)，原海水儲罐(16)、加壓泵(15)、過濾器(14)和噴嘴(10)組成壓カ噴霧裝置；聚光太陽能空氣集熱器(3)的出口與霧化蒸發(fā)器(4)底部相連接，霧化蒸發(fā)器(4)設(shè)有多路出口熱空氣分布器(9)、帶有篩網(wǎng)(6)、(7)、(8)、(11)的濕空氣出口和噴嘴(10)，從霧化蒸發(fā)器上部出來的高溫飽和熱空氣經(jīng)濕飽和空氣冷凝器(12)冷凝得到的淡水進(jìn)入淡水儲槽(13)，固體結(jié)晶從霧化蒸發(fā)器⑷下部出口到達(dá)固體結(jié)晶儲槽(5)，原海水由原海水儲罐(16)經(jīng)加壓泵(15)加壓，通過微米過濾器(14)，然后到達(dá)噴嘴(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡零液體排放化裝置，其特征在于所述多路出ロ熱空氣分布器(9)空氣出口有兩個以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述濕飽和空氣冷凝器(12)的冷端流體可以用于原海水預(yù)熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述原海水儲罐(16)可以是儲存海水，也可以儲存其它不同濃度無機(jī)電解質(zhì)溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述聚光太陽能空氣集熱器(3)為聚光加熱系統(tǒng)，可以是CPC聚光即熱或槽式聚光集熱或碟式聚光。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述噴嘴(10)可以是壓カ霧化噴嘴也可以是空氣霧化噴嘴，噴嘴霧化壓カ0. 3-0. 8MPa，霧化后液滴體積中位數(shù)直徑小于200 u m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述霧化蒸發(fā)器(4)也可以用于不同濃度的液體電解質(zhì)濃縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置，其特征在于所述聚光太陽能空氣集熱器(3)加熱空氣溫度在100°C -400°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的海水淡化零液體排放裝置的分離方法，其特征在于空氣經(jīng)聚光太陽能集熱器加熱，經(jīng)噴嘴霧化的液滴在蒸發(fā)過程中多次與多路出口熱空氣分布器出ロ的干熱空氣接觸實現(xiàn)納米蒸發(fā)。
全文摘要
一種太陽能海水淡化零液體排放裝置和方法，應(yīng)用液體噴霧方法和多級熱空氣接觸實現(xiàn)海水中的水份快速、低能耗蒸發(fā)，100℃-400℃熱空氣由聚光太陽能集熱器提供，微米尺度的海水液滴多次與干熱空氣進(jìn)行水份擴(kuò)散和熱量傳遞，在霧化蒸發(fā)器中實現(xiàn)納米液滴特性蒸發(fā)，得到的高溫飽和濕空氣經(jīng)濕飽和濕空氣冷凝器冷卻得到淡水，其余低溫飽和空氣排空，固體結(jié)晶物從霧化蒸發(fā)器底部取出。本發(fā)明適用于海水淡化或苦咸水及其它電解質(zhì)水溶液的濃縮分離或液固分離。其結(jié)構(gòu)完善，太陽能利用充分，自動控制性強(qiáng)，效率高。
文檔編號C02F1/14GK102730779SQ201210257768
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者蘇潤西 申請人:天津城市建設(shè)學(xué)院