一种利用太阳能的废水蒸发系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种利用太阳能的废水蒸发系统，其使用的能源主要是太阳能，由太阳能集热器产生的热水预热废水，利用气体的载湿能力，在蒸发室中与预热废水接触后携带水蒸汽，利用太阳能驱动的溴化锂制冷机产生的冷却水在表冷器中将载湿气体冷凝，除湿后的气体再进入蒸发室去循环载湿。本发明不需要消耗蒸汽，节能显著，并可实现低温蒸发，可广泛的应用于石油化工、食品、轻工、制药、污水处理、海水淡化等行业。
【专利说明】一种利用太阳能的废水蒸发系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用太阳能的废水蒸发系统，可广泛的应用于石油化工、食品、轻 工、制药、污水处理、海水淡化等行业。
【背景技术】
[0002] 随着工业的发展和水资源的紧缺，一些工业行业所产生的废水污染浓度越来越 高，成分越来越复杂，排放量越来越大，这些废水中除了含有有机污染物外，还含有大量的 无机盐，如Cl_，S0 42_，Na+，Ca2+等离子。这些高盐、高有机物废水，若未经处理直接排放，势 必会对水体生物、生活饮用水和工农业生产用水产生极大的危害。
[0003] 蒸发法是常用的高含盐废水的处理方法，其工艺简单，但由于蒸发过程中需要消 耗大量的蒸汽，是一个高能耗过程，因此开发高效节能的蒸发脱盐工艺及装置，降低能源消 耗，或使用清洁能源，保护环境，探索行之有效的高盐度有机废水处理技术已经成为目前废 水处理的热点之一。
[0004] 当前主要采用废水蒸发工艺主要有多效蒸发技术和机械蒸汽再压缩技术。多效蒸 发技术是利用前效蒸发产生的二次蒸汽，作为后效蒸发器的热源，达到节约蒸汽使用量的 目的，但其设备占地面积大，投资成本高。机械蒸汽再压缩技术工作原理是：利用蒸汽压缩 机（风机）对蒸发器中产生的二次蒸汽进行压缩，二次蒸汽温度、压力提高，热焓增加，可再 进入蒸发器系统内作为蒸发热源，这样可以多次重复利用所产生的二次蒸汽的热量，源源 不断进行循环蒸发，机械蒸汽再压缩技术仅消耗电能，大大节约的蒸汽使用量，但对其核心 装备机械蒸汽压缩机的性能要求较高，初期投资也较大。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中采用的废水蒸发工艺存在的不足，本发明利用太阳能作为蒸发系 统的能源，并带有蓄热装置，保证系统能够连续运行。利用气体的载湿能力来吸收废水中的 水分，经多次循环吸收，吸收效率更高，无二次污染排放，更加环保。采用将湿空气抽入表冷 器中冷凝的方式，从而大大缩减了设备的体积。除此之外，装置结构简单，操作方便，能大大 节约投资和使用成本。而且本发明可以实现70°C以下的低温蒸发，适用于热敏性物质的蒸 发，在医药、食品、海水淡化、精细化工等多个行业均可得到应用。
[0006] 本发明的目的是通过以下工作流程实现的，包括1)废液注入过滤式废水储罐除 去固体后，由进料泵送入预热器中加热至40°C-70°C。2)加热后的废水进入超重力旋转蒸 发室中。3)常温气体由管道风机吹入超重力旋转蒸发室中，与废液错流换热，并吸收部分水 分，水蒸汽无污染。4)吸收水分后的载湿气体经由管道风机抽入表冷器中进行冷凝。5)表 冷器中载湿气体与太阳能溴化锂制冷系统中的冷却水进行换热冷却，水蒸汽凝结成纯水流 入冷凝水储罐。6)在超重力旋转蒸发室中，随着水蒸汽蒸发废液浓度增加，达到排出浓度的 高浓度浓缩液排出蒸发室去进行固液分离，未达到排出浓度的废液，由溶液循环泵再次送 入超重力旋转蒸发室中进行循环处理。
[0007] 本发明利用气体所具有的载湿能力将废水中的纯水提出。
[0008] 所述的气体选用空气，当涉及药品、食品等工业时可选用氮气。
[0009] 本发明的利用太阳能的废水蒸发系统，它由过滤式废水储罐、进料泵、预热器、超 重力旋转蒸发室、管道风机、表冷器、冷凝水储罐和太阳能溴化锂制冷系统等组成，太阳能 集热器产生90°C左右的热水（a)用来驱动太阳能溴化锂制冷机制冷，（b)进入预热器作为 处理废水的加热介质，（c)用来在相变蓄热器中进行储能；本发明利用气体的载湿能力，在 蒸发室中与预热废水接触后携带水蒸汽，实现40°C - 70°C的低温蒸发，载湿后的湿空气进 入所述表冷器中冷凝将纯水提出，除湿后的气体再进入所述蒸发室去循环载湿。本发明蒸 发室中利用超重力旋转床使废液与循环气体错流接触，进一步强化气体的吸湿过程。
[0010] 所述预热器中用于加热废水的热量由经所述太阳能集热器加热的热水提供；在所 述表冷器中冷凝载湿气体的热量由经所述溴化锂制冷机的冷却水提供。
[0011] 所述超重力旋转蒸发室包括第二进口管、第二出口管、第三出口管、第四出口管、 第五出口管、第三进口管；
[0012] 所述第二进口管设于所述超重力旋转蒸发室的左侧下方与所述三通阀相连，用于 所述废液地流入；所述第二出口管与所述第三出口管设于所述超重力旋转蒸发室上端与所 述管道风机相连用于载湿空气的抽出；所述第四出口管设于所述超重力旋转蒸发室的下端 左侧与所述溶液循环泵相连用于循环废液的流出；所述第五出口设于所述超重力旋转蒸发 室下端右侧与所述固液分离器相连，用于排出高浓度浓缩废液；所述第三进口管设于所述 超重力旋转蒸发室右侧下方与所述管道风机相连用于循环气体地流入。
[0013] 所述的超重力旋转蒸发室将除沫、蒸发、浓缩三个过程合成在同一容器内；利用超 重力旋转床进行气体吸湿过程的强化从而进行的低温常压下的蒸发。
[0014] 所述超重力旋转蒸发室填料为平直丝网，当丝网堵塞时，打开所述超重力旋转蒸 发室上端法兰盖后予以清理更换。
[0015] 所述预热器的主要材料是金属钛和双相不锈钢。
[0016] 所述超重力旋转蒸发室表面材料主要是玻璃钢。
[0017] 所述表冷器包括第四进口管、第六出口管、第七出口、第五进口管和第八出口管；
[0018] 所述第四进口管设于所述表冷器顶端与所述管道风机相连用于载湿气体流入所 述表冷器中；所述第六出口管设于所述表冷器底端与所述管道风机相连用于常温气体地流 出；所述第七出口设于所述表冷器下端右侧用于水蒸汽冷凝后的纯水地流出；所述第五进 口管设于所述表冷器右侧下方与所述溴化锂制冷机相连用于冷却水地流入；所述第八出口 管设于所述表冷器左侧上方与所述冷却水循环泵相连用于换热后的冷却水地流出。
[0019] 所述表冷器为翅片板式换热器；材料主要采用不锈钢。
[0020] 所述太阳能溴化锂制冷系统包括溴化锂制冷机、热水箱、热水循环泵、太阳能集热 器、蓄热器和冷却水循环泵；
[0021] 所述溴化锂制冷机包括第六进口、第九出口、第七进口和第十出口；
[0022] 所述第六进口设于所述溴化锂制冷机顶端与所述太阳能集热器的第十二出口相 连用于经所述太阳能集热器加热后的热水流入驱动所述溴化锂制冷机制冷；所述第九出口 设于所述溴化锂制冷机底端与所述热水箱的第八进口相连用于热水地流出；所述第七进口 设于所述溴化锂制冷机右侧下方与所述冷却水循环泵相连用于冷却水地流入；所述第十出 口设于所述溴化锂制冷机右侧中部与所述表冷器的第五进口相连用于冷却水地流出。
[0023] 所述热水箱与所述溴化锂制冷机的第九出口相连用于热水地流入，与所述预热器 相连用于与废水换热后的热水地流入，与所述热水循环泵相连用于热水地流出。
[0024] 所述冷却水循环泵与所述溴化锂制冷机相连用于将冷却水打入所述溴化锂制冷 机中。
[0025] 所述太阳能集热器在太阳光照足够正常工作时，进口阀和出口阀打开，经所述太 阳能集热器加热的热水（a)进入所述溴化锂制冷机驱动制冷，（b)进入所述预热器中加热 废水，（c)进入蓄热器中进行储能。
[0026] 所述太阳能集热器在太阳光照不足时，关闭进口阀和出口阀，所述蓄热器将储存 的热量放出加热热水（a)驱动所述溴化锂制冷机制冷，（b)进入所述预热器中加热废水。
[0027] 所述蓄热器为一种管壳式换热器，中间管程通入蓄热介质，蓄热介质为石蜡，外层 壳程用来通入热水。
[0028] 所述一种利用太阳能的废水蒸发系统还包括溶液循环泵、溶液进口阀、溶液循环 阀和固液分离器；
[0029] 所述溶液循环泵与所述第四出口管相连，用于将循环废液经所述溶液循环阀打入 所述超重力旋转蒸发室中去循环蒸发；所述溶液进口阀与所述溶液循环阀通过三通阀连接 于所述第二进口管；所述固液分离器与所述第五出口管相连，用于将所述高浓度浓缩废液 进行固液分离。
[0030] 本发明一种利用太阳能的废水蒸发系统，具有以下优点或者效益：本发明采用自 然蒸发，利用气体的载湿能力进行蒸发，蒸发过程不需要消耗蒸汽，节能效果更加显著。本 发明利用太阳能集热器吸收的太阳能为系统提供所需能量，且系统中设有蓄热器，从而能 够保证系统阴天时也能正常运作，使用能源更加环保清洁。本发明采用蒸发技术，整体工 艺中不添加任何化学物质，因此回收的物质更具有利用价值。本发明采用板翅式换热器作 为表冷器，对载湿气体进行冷凝除湿，冷却水作为冷却介质循环使用，大大缩减了设备的体 积。本发明可用于多个行业，在涉及食品、制药等行业时可将用于载湿的气体选用氮气。与 传统蒸发脱盐工艺相比，本发明蒸发室温度控制在70°C以下，可以很好地完成与废水中与 水性质相似物质的分离。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1本发明的利用太阳能的废水蒸发系统的工作流程示意图。
[0032] 图2本发明的蓄热器工作流程示意图。
[0033] 图3本发明的表冷器结构示意图。 具体实施方案
[0034] 以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
[0035] 如图1所示，一种利用太阳能的废水蒸发系统，包括：过滤式废水储罐1、进料泵2、 预热器3、超重力旋转蒸发室4、管道风机5、7、表冷器6、冷凝水储罐8、太阳能溴化锂制冷系 统9、溶液循环泵10、溶液进口阀11、溶液循环阀12和固液分离器13等组成。其中带有箭 头的实现均为管道，箭头方向代表管道内工质流动方向。
[0036] 为了对本发明一种利用太阳能的废水蒸发系统充分的理解，下面以皮革厂生产后 的工业废水为例进行介绍。皮革厂生产后的工业废水主要包含高浓度的卤水不能直接排入 城市废水系统。
[0037] 将含有高浓度的卤水通过第一进口管1-11注入到过滤式废水储罐1中，过滤除去 固体，由进料泵2打入预热器3中，与来自经过太阳能集热器94加热后的热水进行换热，高 浓度卤水被加热至60°C，随后进入超重力旋转蒸发室4中由液体分布器喷洒在填料边缘， 填料随旋转床高速旋转，在离心力作用下，废液穿过填料径向被甩出。由管道风机7吹入的 常温气体由第三进口管45进入超重力旋转蒸发室4中，并向上流动，与高浓度卤水错流换 热。气体温度升高载湿能力增强，吸收高浓度卤水和化学废水中的水分，水蒸汽无污染。载 湿后的气体被管道风机5抽入翅片板式表冷器6中，与溴化锂制冷机91提供的冷却水进行 换热冷凝。冷凝后的纯水由第七出口管63流入冷凝水储罐8中。除水后的气体循环使用。 在超重力旋转蒸发室4中，随着水蒸汽蒸发高浓度卤水浓度增加，达到排出浓度的卤水浓 缩液排出蒸发室去进行固液分离后得到的固体回收利用，未达到排出浓度的卤水废液，由 溶液循环泵再次送入超重力旋转蒸发室中进行循环处理。本系统运行过程时，预热器中用 于加热废水的热量由经太阳能集热器加热的热水提供。表冷器中冷凝载湿气体的热量由经 溴化锂制冷机的冷却水提供。
[0038] 图2是本实施例的太阳能蓄热器工作流程示意图。
[0039] 太阳能溴化锂制冷系统9包括溴化锂制冷机91、热水箱92、热水循环泵93、太阳 能集热器94、蓄热器95和冷却水循环泵96 ;溴化锂制冷机91包括第六进口 911、第九出口 912、第七进口 914和第十出口 913 ;第六进口 911设于溴化锂制冷机91顶端与太阳能集热 器94的第十二出口 941相连用于经太阳能集热器94加热后的热水流入驱动溴化锂制冷机 91制冷；第九出口 912设于溴化锂制冷机91底端与所述热水箱92的第八进口 921相连用 于热水地流出；第七进口 914设于溴化锂制冷机91右侧下方与冷却水循环泵95相连用于 冷却水地流入；第十出口 913设于溴化锂制冷机91右侧中部与表冷器6的第五进口 64相 连用于冷却水地流出；热水箱92与溴化锂制冷机91的第九出口 912相连用于热水的流入， 与预热器3相连用于与废水换热后的热水流入，与热水循环泵93相连用于热水流出；冷却 水循环泵96与溴化锂制冷机91相连用于将冷却水打入溴化锂制冷机91中。晴天时，太阳 能集热器94正常工作时，进口阀942和出口阀941打开，经太阳能集热器94加热的热水进 入溴化锂制冷机91驱动制冷，进入预热器3中加热废水，进入蓄热器中进行储能；阴天是， 太阳能集热器94不能正常工作时，关闭进口阀942和出口阀941，蓄热器95将储存的热量 放出加热热水驱动溴化锂制冷机91制冷，进入预热器3中加热废水。
[0040] 图3是表冷器结构示意图。
[0041] 表冷器6是一种翅片板式换热器6,它包括第四进口管61、第六出口管62、第七出 口管63、第五进口管64和第八出口管65 ;第四进口管61设于表冷器6顶端与管道风机5 相连用于载湿气体流入表冷器6中；第六出口管62设于表冷器6底端与管道风机7相连用 于常温气体地流出；第七出口管63设于表冷器6下端右侧用于水蒸汽冷凝后的纯水地流 出；第五进口管64设于表冷器6右侧下方与溴化锂制冷机91相连用于冷却水地流入；第八 出口管65设于翅片板表冷器6左侧上方与冷却水循环泵96相连用于换热后的冷却水地流 出。
[0042] 本发明适用于废水、废液浓缩处理、精细化工、制药工业、垃圾场滤液、反渗透浓缩 液、金属矿开采和加工、羊毛清洗、造纸、煤化工/石油提炼、油气开采、食品加工、农药/除 草剂、皮革处理等行业。
[0043] 本发明利用气体的载湿能力进行蒸发，蒸发过程不需要消耗蒸汽，节能效果更加 显著。利用太阳能集热器吸收的太阳能为系统提供所需能量，且系统中设有蓄热器，从而能 够保证系统能够连续工作。采用翅片板式换热器作为表冷器，对湿空气进行冷凝除湿，冷凝 水作为冷却介质循环使用，大大缩减了设备的体积。本发明蒸发室温度控制在70°C以下，可 以完成废水中与水性质相似组分的分离。
[0044] 本发明的废水蒸发系统使用的能源主要是太阳能，由太阳能集热器产生的热水预 热废水，利用气体的载湿能力，在蒸发室中与预热废水接触后携带水蒸汽，利用太阳能驱动 的溴化锂制冷机产生的冷却水在表冷器中将载湿气体冷凝，除湿后的气体再进入蒸发室去 循环载湿。该蒸发系统不需要消耗蒸汽，节能显著，并可实现低温蒸发。
[0045] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，应理解该实施例仅用于说明本发明而不用于 限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改 或应用范围的拓展均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
【权利要求】
1. 一种利用太阳能的废水蒸发系统，包括太阳能集热器，其特征在于：它由过滤式废 水储罐（1)、进料泵（2)、预热器（3)、蒸发室（4)、管道风机（5、7)、表冷器（6)、冷凝水储罐 (8)和太阳能溴化锂制冷系统（9)组成，所述太阳能集热器产生90°C左右的热水用来驱动 所述太阳能溴化锂制冷系统（9)制冷，热水进入所述预热器（3)作为处理废水的加热介质， 用来在相变蓄热器中进行储能；载湿气体在所述蒸发室（4)中与预热废水接触后携带水蒸 汽，实现40°C - 70°C的低温蒸发，载湿后的湿空气进入所述表冷器（6)中冷凝将纯水提出， 除湿后的气体再进入所述蒸发室（6)去循环载湿。
2. 根据权利要求1所述的废水蒸发系统，其特征在于：所述蒸发室（4)为一种超重力 旋转蒸发室（4)，蒸发室中利用超重力旋转床使废液与循环气体错流接触，进一步强化气体 的吸湿过程；所述超重力旋转蒸发室（4)包括第二进口管（46)、第二出口管（41)、第三出口 管（42)、第四出口管（43)、第五出口管（44)、第三进口管（45); 所述第二进口管（46)设于所述超重力旋转蒸发室（4)的左侧下方与所述三通阀相连， 用于所述废液的流入；所述第二出口管（41)与所述第三出口管（42)设于所述超重力旋转 蒸发室（4)上端与所述管道风机（5)相连用于载湿空气的抽出；所述第四出口管（43)设 于所述超重力旋转蒸发室（4)的下端左侧与所述溶液循环泵（10)相连用于循环废液的流 出；所述第五出口（44)设于所述超重力旋转蒸发室（4)下端右侧与所述固液分离器（13) 相连，用于排出高浓度浓缩废液；所述第三进口管（45)设于所述超重力旋转蒸发室（4)右 侧下方与所述管道风机（7)相连用于循环气体地流入。
3. 根据权利要求2所述的废水蒸发系统，其特征在于：所述超重力旋转蒸发室（4)将 除沫、蒸发、浓缩三个过程合成在同一容器内，同时载湿气体与通过超重力旋转床雾化的废 液接触，达到强化传热传质的目的； 所述超重力旋转蒸发室（4)填料为平直丝网，当丝网堵塞时，打开所述超重力旋转蒸 发室（4)上端法兰盖后予以清理更换； 所述超重力旋转蒸发室（4)表面材料是玻璃钢。
4. 根据权利要求1所述的一种利用太阳能的废水蒸发系统，其特征在于：所述表冷器 (6) 是一种翅片板式换热器（6)，它包括第四进口管（61)、第六出口管（62)、第七出口管 (63)、第五进口管（64)和第八出口管（65); 所述第四进口管（61)设于所述表冷器（6)顶端与所述管道风机（5)相连用于载湿气 体流入所述表冷器（6)中；所述第六出口管￠2)设于所述表冷器（6)底端与所述管道风机 (7) 相连用于常温气体地流出；所述第七出口管（63)设于所述表冷器（6)下端右侧用于水 蒸汽冷凝后的纯水地流出；所述第五进口管（64)设于所述表冷器（6)右侧下方与太阳能溴 化锂制冷系统（9)中的溴化锂制冷机（91)相连用于冷却水地流入；所述第八出口管（65) 设于所述翅片板表冷器（6)左侧上方与太阳能溴化锂制冷系统（9)中的冷却水循环泵（96) 相连用于换热后的冷却水地流出。
5. 根据权利要求1所述的废水蒸发系统，其特征在于：所述太阳能溴化锂制冷系统（9) 包括溴化锂制冷机（91)、热水箱（92)、热水循环泵（93)、所述太阳能集热器（94)、蓄热器 (95)和冷却水循环泵（96); 所述溴化锂制冷机（91)包括第六进口（911)、第九出口（912)、第七进口（914)和第十 出口（913); 所述第六进口（911)设于所述溴化锂制冷机（91)顶端与所述太阳能集热器（94)的第 十二出口（941)相连用于经所述太阳能集热器（94)加热后的热水流入驱动所述溴化锂制 冷机（91)制冷；所述第九出口（912)设于所述溴化锂制冷机（91)底端与所述热水箱（92) 的第八进口（921)相连用于热水地流出；所述第七进口（914)设于所述溴化锂制冷机（91) 右侧下方与所述冷却水循环泵（95)相连用于冷却水地流入；所述第十出口（913)设于所述 溴化锂制冷机（91)右侧中部与所述表冷器￠)的第五进口 ￠4)相连用于冷却水地流出； 所述热水箱（92)与所述溴化锂制冷机（91)的第九出口（912)相连用于热水的流入， 与所述预热器（3)相连用于与废水换热后的热水流入，与所述热水循环泵（93)相连用于热 水流出； 所述冷却水循环泵（96)与所述溴化锂制冷机（91)相连用于将冷却水打入所述溴化锂 制冷机（91)中。
6. 根据权利要求5所述的废水蒸发系统，其特征在于：当太阳光照足够，所述太阳能集 热器（94)正常工作时，进口阀（942)和出口阀（941)打开，经所述太阳能集热器（94)加热 的热水进入所述溴化锂制冷机（91)驱动制冷，进入所述预热器（3)中加热废水，进入蓄热 器中进行储能； 当太阳光照不够，所述太阳能集热器（94)不能正常工作时，关闭进口阀（942)和出口 阀（941)，所述蓄热器（95)将储存的热量放出加热热水驱动所述溴化锂制冷机（91)制冷， 进入所述预热器（3)中加热废水。
7. 根据权利要求5所述的废水蒸发系统，其特征在于，所述蓄热器（95)为一种管壳式 换热器，中间管程通入相变蓄热材料，相变蓄热材料的相变温度为80°C - 90°C，壳程用来 通入热水。
8. 根据权利要求2所述的废水蒸发系统，其特征在于：它还包括溶液循环泵（10)、溶液 进口阀（11)、溶液循环阀（12)和固液分离器（13); 所述溶液循环泵（10)与所述第四出口管（43)相连，用于将循环废液经所述溶液循环 阀（12)打入所述超重力旋转蒸发室（4)中去循环蒸发；所述溶液进口阀（11)与所述溶液 循环阀（12)通过三通阀连接于所述第二进口管（46);所述固液分离器（13)与所述第五出 口管（44)相连，用于将所述高浓度浓缩废液进行固液分离。
9. 根据权利要求1所述的废水蒸发系统，其特征在于：所述预热器（3)材料是金属钛 和双相不锈钢；所述表冷器（6)材料采用不锈钢；在所述预热器（3)中用于加热废水的介 质由经太阳能集热器（94)加热的热水提供；在所述表冷器（6)中冷凝载湿气体的冷却水由 经所述溴化锂制冷机（91)的提供；载湿气体选用空气或氮气。
10. -种利用太阳能的废水蒸发方法，其特征在于，具体步骤为： 步骤一、废液注入过滤式废水储罐除去固体后，由进料泵送入预热器中加热至40°C- 70 V ； 步骤二、加热后的废水进入超重力旋转蒸发室中； 步骤三、常温气体由管道风机吹入超重力旋转蒸发室中，与废液错流换热，并吸收部分 水分，水蒸汽无污染； 步骤四、吸收水分后的载湿气体经由管道风机抽入表冷器中进行冷凝； 步骤五、表冷器中载湿气体与太阳能溴化锂制冷系统中的冷却水进行换热冷却，水蒸 汽凝结成纯水流入冷凝水储罐； 步骤六、在超重力旋转蒸发室中，随着水蒸汽蒸发废液浓度增加，达到排出浓度的高浓 度浓缩液排出蒸发室去进行固液分离，未达到排出浓度的废液，由溶液循环泵再次送入超 重力旋转蒸发室中进行循环处理。
【文档编号】C02F1/14GK104118918SQ201410404518
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】李洋, 凌祥, 周瑞文, 涂善东 申请人:南京工业大学