一种由海水制备船舶锅炉给水的方法和装置与流程

本发明涉及一种由海水净化制备纯水的方法和装置，尤其是一种适合船舶、海上平台等锅炉给水的处理方法与装置。

背景技术：

目前在船舶工业中，锅炉已成为不可或缺的设备。对于以柴油机或电动机为主动力的船舶，配备的辅助锅炉多用于驱动货油泵、加热燃、滑油以及为生活用水、空调设备等提供热源，保证船舶的正常运行。船舶锅炉的给水主要来源于港口的自来水以及船上海水淡化装置生产的淡水，其中含有钙、镁等离子的碳酸氢盐、硫酸盐和少量的硅酸溶胶。这种含有杂质的水，在锅炉中进行沸腾和蒸发过程中，会在锅炉受热面上产生碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐水垢，造成以下危害:1)使传热效果变差，增加能耗；2)水垢难于清除，增加了检修费用；3)造成炉管过热，降低使用寿命。严重时甚至因为水垢危害锅炉而造成事故。为最大限度地防止船用辅锅炉的结垢，GBT 24947-2010《船用辅锅炉水质要求》明确了锅炉的给水应达到的水质标准，对给水的总硬度、总碱度、pH等各项指标进行了具体的规定。

船舶锅炉给水的主要处理方法是钠离子交换法。硬水在进入锅炉之前先经过流经钠型离子交换剂树脂层进行交换,Ca²⁺，Mg²⁺离子吸附于树脂上而Na⁺离子进入水中，硬度离子被脱除而形成软化水，起到防止锅炉结垢的目的。当大部分树脂中的Na⁺离子被置换后,树脂失去离子交换能力,这时可用食盐使其再生，再生过程一般需经过反洗、进盐水、正洗等步骤。再生完成后，离子交换剂树脂层转为钠型，恢复与Ca²⁺，Mg²⁺离子进行交换的能力。钠离子交换法处理后Ca²⁺，Mg²⁺硬度离子可以达到船用辅锅炉水质要求，但水中含有的Si等弱解离的物质难以脱除，仍然存在形成硅酸盐水垢的风险；离子交换树脂需要频繁再生，操作烦琐,自动化程度低；管路复杂,占用机舱空间较大。因此钠离子交换法在船舶锅炉给水处理的应用受到很大的限制。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种由海水制备船舶锅炉给水的方法和装置，克服现有技术中船舶锅炉给水水垢难于清除，检修费用高的问题。

本发明采用的技术方案是：一种由海水制备船舶锅炉给水的方法，海水首先通过真空蒸发过程进行初步脱盐，得到的淡化水经过电去离子进一步深度脱盐而得到锅炉给水。

所述真空蒸发过程是指进料海水在蒸发器中与柴油机缸套水进行热量交换，蒸发器中的海水一侧保持真空，海水被加热而沸腾产生蒸汽；将此蒸汽引入冷凝器，以冷海水为冷却介质使蒸汽冷凝，即得到淡化水。

所述电去离子过程是指将淡化水引入电去离子装置，所述装置在阴极和阳极之间交替排列若干阳离子交换膜和阴离子交换膜，两张膜之间构成淡水室或浓水室，淡水室中填充离子交换树脂；当水流经淡水室时，在直流电场的作用下，水中离子分别透过两侧的离子交换膜进入浓水室，离子交换树脂在参与离子传递的同时又进行电再生，使离子得到深度脱除，得到符合标准的锅炉给水；浓水室离子浓度增加，可返回换热器进行蒸发。

一种由海水制备船舶锅炉给水的装置，包括真空蒸发装置和电去离子装置两部分，所述真空蒸发装置设置有蒸发器和冷凝器，进料海水在蒸发器中与柴油机缸套水进行热量交换，蒸发器中的海水一侧保持真空，海水被加热而沸腾产生蒸汽；将此蒸汽引入冷凝器，以冷海水为冷却介质使蒸汽冷凝，即得到淡化水；所述淡化水引入电去离子装置，所述电去离子装置在阴极和阳极之间交替排列若干阳离子交换膜和阴离子交换膜，两张膜之间构成淡水室或浓水室，淡水室中填充离子交换树脂；当水流经淡水室时，在直流电场的作用下，水中离子分别透过两侧的离子交换膜进入浓水室，离子交换树脂在参与离子传递的同时又进行电再生，使离子得到深度脱除，得到符合标准的锅炉给水；浓水室离子浓度增加，可返回换热器进行蒸发。

所述蒸发器和冷凝器器为板式换热器、管式换热器或者螺旋板式换热器。

所述离子交换树脂为阴离子交换树脂和阳离子交换树脂的混合，所述阴离子交换树脂对阳离子交换树脂混合的体积比为30：70至60：40。所述阴离子交换树脂和阳离子交换树脂采用凝胶型树脂或者大孔型树脂。

所述阳离子交换膜和阴离子交换膜为异相膜或均相膜。

所述阴极和阳极采用钛涂钌材料。

本发明的有益效果是：

(1)通过使用本发明的方法和装置提高了锅炉给水水质，延长锅炉维护周期和寿命。由于采用电去离子技术，不仅对Ca²⁺，Mg²⁺等硬度离子脱除彻底，降低碳酸盐、硫酸盐结垢；而且尤其对Si等弱解离物质也有很高的脱除率，减少硅酸盐水垢风险；

(2)操作简便，自动化程度高。电去离子过程能够利用水解离产生的H⁺，OH^-离子对其中的树脂进行连续电再生，即离子的吸附和再生同时进行，避免了离子交换法的频繁再生操作，运行简单，易于实现自动化；

(3)体积小，设备紧凑。由于不需再生，省去了复杂的管路和仪表，节省机舱内空间；

(4)水处理成本低。利用真空蒸发对海水初步脱盐，可以利用柴油发动机缸套水作为热源，而电去离子过程的电耗很小，因此总体的能耗低；

(5)直接由海水制得锅炉给水，显著降低船舶和海上平台对陆地供水的依赖。

附图说明

图1为本发明由海水制备船舶锅炉给水工艺流程图；

图2为真空蒸发装置与真空蒸发流程图；

图3为电去离子装置与电去离子流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的总体路线是真空蒸发过程和后续的电去离子过程。海水首先通过真空蒸发过程进行初步脱盐，得到的淡化水经过电去离子进一步深度脱盐而得到锅炉给水。

海水过真空蒸发进行初步脱盐过程如附图2所示，真空蒸发装置1中设置蒸发器2和冷凝器3。海水14流经冷凝器3进行热量交换，预热后的海水15分成两路，一路为进料海水10进入蒸发器2；另一路18则为喷射泵5提供引射水，抽走真空容器1中的不凝性气体17，造成真空蒸发装置1内维持真空。进料海水10在蒸发器2内与柴油机缸套水11进行热量交换，海水被加热沸腾产生蒸汽19，蒸汽通过汽水分离器4，将蒸汽中的大部分小水滴分离后进入冷凝器2。冷凝器2对蒸汽进行冷凝，产出淡化水16。蒸发器2内产生的浓盐水13也通过喷射泵5抽出排放。

蒸发器2和冷凝器3均为换热设备，优选板式换热器，也可采用管式或者螺旋板式换热器。

虽然经过汽水分离器4的分离，水蒸气中仍携带少量海水液滴，因此，冷凝得到的淡水16也含有盐分，包括Ca²⁺，Mg²⁺等硬度离子和Si等弱解离物质，尚需要进一步净化。

真空蒸发得到的淡化水被引入后续的电去离子装置进行深度脱盐，如附图3所示。电去离子装置是在阴极21和阳极22之间交替排列若干阴离子交换膜23和阳离子交换膜24，阴离子交换膜23选择性地透过阴离子而不透过阳离子，阳离子交换膜24选择性地透过阳离子而不透过阴离子，每两膜之间构成淡水室27或浓水室28，淡水室27中填充阴离子交换树脂25和阳离子交换树脂26，阴离子交换树脂25对阳离子交换树脂26混合的体积比为30：70至60：40。阴极21与最外侧的离子交换膜之间构成阴极室41，阳极22与最外侧的离子交换膜之间构成阳极室42。阴离子交换膜23和阳离子交换膜24可采用异相膜或均相膜；阴离子交换树脂25和阳离子交换树脂26可采用凝胶型树脂或者大孔行树脂，阴极21和阳极22可采用钛涂钌材料。

真空蒸发的淡化水16分成三股。淡水室进水31水流经各个淡水室27，浓水室进水32流经各个浓水室28，电极室进水33则先流经阳极室42，然后流经阴极室41。在阴极21和阳极22之间施加一个直流电场，淡水室27溶液中的阳离子和阴离子分别透过阳离子交换膜23和阴离子交换膜24进入相邻的浓水室28，阴、阳离子交换树脂25、26在参与离子传递的同时又进行电再生，使Ca²⁺，Mg²⁺等硬度离子以及Si等弱解离物质离子得到深度脱除，淡水室流出的即为所需要的锅炉给水34；浓水室28中阴、阳离子在电场中的定向迁移分别被阳、阴离子交换膜23，24所阻止，因此浓水室28离子浓度增加，得到浓缩液35。电极室进水33则将阳极22和阴极21的电极反应产物带出，形成电极水36。浓缩液35和电极水36可返回蒸发器2回收使用。

本发明一种由海水制备船舶锅炉给水的处理方法的一个具体实施例如下：

进料海水10温度在18-30℃之间，流量10-15m³/h；柴油机缸套水11的流量保持在29m³/h，温度保持在75-85℃，真空容器1真空度在85-95％之间。在此工艺参数下，淡化水16产量可在8-13m³/d，产水含盐量在2-10ppm之间，其中Ca²⁺浓度0.1-0.2ppm，Mg²⁺离子2-4ppm，Si浓度为100-400ppb。

淡化水16经电去离子进一步脱盐。当淡化水16流量为1m³/h时，操作电流在600-1200mA之间，浓缩液35的电导率为100-200μS·cm^-1，锅炉给水34的电阻率为4-10MΩ·cm，其中Ca²⁺浓度0.02ppm，Mg²⁺离子0.03ppm，Si浓度为10-300ppb。水回收率高于90％，吨水电耗约0.31KW·h。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。