本发明涉及油气储运、工程热物理及水处理技术的交叉领域，具体涉及了一种基于液化天然气冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化方法及装置。
背景技术：
LNG是常压、低温(-162℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前均需气化后使用，LNG气化时理论上会释放830kJ/kg的冷能。进口LNG接收站一般建在海港附近，LNG气化释放的冷能通常直接排放到海水中，随着接收站规模的不断扩大，大量的冷能对附近海域的生态环境构成影响。若能将这部分冷能用于海水淡化，则既可以减轻LNG冷能对码头附近海域生态环境的影响又可降低冷冻法海水淡化的成本，具有节能、节水、减少碳排放、综合利用能源资源的意义。随着天然气在我国一次能源消费结构中所占比重的大幅度提高，沿海地区进口LNG码头发展迅速，这为采用冷冻法进行工业化的海水淡化提供了发展的机遇。
冷冻法脱盐作为海水淡化的方法之一，冷源可以采用天然冷源和人工冷源，前者受地理气候条件所限，难以大范围工业化采用，后者需要消耗大量的能源(制冷过程往往需要消耗高品位的电能)。LNG接收站能够为采用冷冻法海水淡化提供低成本的冷源，但单纯的冷冻法与膜法(如反渗透膜法)和热法(如低温多效蒸馏法等)相比，其脱盐率较低，未能成为主流的海水淡化方法。因此将冷冻与后续淡化过程相结合，构建技术经济可行的高脱盐率复合淡化工艺，是实现利用LNG冷能进行海水淡化产业化亟待解决的问题。
现有技术采用的重力脱盐工艺，需要通过消耗能源创造一个高温环境或利用冰与环境的温度差在自然环境中对冰进行加热使其部分融化。如果利用自然温差，环境温度直接影响冰体的融化速度进而影响脱盐速度，而利用能源进行加热更易于控制并提高脱盐工艺的速度，但需要增加运行成本。中国北方地区冬季环境温度较低，利用自然热源进行重力脱盐会使得脱盐过程非常缓慢，如果用常规加热方式提高温度进行重力脱盐过程，不免造成能源的浪费。
同时，重力脱盐由于直接依赖于冰的融化，且与外界直接接触的冰表面融化速度快而内部融化速度慢，不利于从内部打开盐胞结构，还需要将经过重力脱盐的冰打碎形成均匀的冰晶颗粒，并在后续的离心脱盐步骤中采用较高的离心速度才能实现充分脱除，导致工艺复杂且耗时长。
目前，亟待开发一种更加高效且利于大规模工业化推广的复合海水淡化方法。
技术实现要素：
本发明装置流程旨在克服现有技术中的缺陷，充分利用LNG气化过程所释放的大量冷能，采用间接传热方式快速冷冻海水，并在此基础上综合利用微波处理及离心脱盐技术，最终得到满足部分工农业生产或民用要求的淡水资源，最大限度地保证工业化生产的连续性并降低后处理的成本。
具体而言，本发明提供了一种基于液化天然气冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化方法，该方法包括以下步骤：
(1)将液化天然气与二次冷媒充分进行间接换热，得到气态天然气并将冷量传递给二次冷媒后，再将所述二次冷媒与海水充分进行间接换热，将海水冷冻为冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，冰备用；
(2)取步骤(1)所得冰，用微波处理设备进行微波处理；回收液体，剩余冰备用；
(3)将步骤(2)所剩余的冰进行离心处理，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；
(4)将步骤(3)所剩余的冰完全融化，即可。
本发明所述海水的原始盐浓度为3～3.5％。
本发明步骤(1)所述间接换热具体是指：参与热交换的液化天然气与二次冷媒、以及二次冷媒与海水在不直接接触的情况下进行的换热过程。本发明所述的间接换热应充分进行，并确保所交换的能量充分用于海水的冷却结冰过程。
所述二次冷媒循环可采用有相变循环，也可采用无相变循环。冷媒应当尽可能选用稳定、无毒的单一介质或混合介质，有相变循环介质工作压力下的相变温度应符合系统要求，优选为丙烷或R410a制冷剂，进一步优选为R410a制冷剂，无相变循环介质优选为无水乙醇。
本发明步骤(2)将微波处理应用于海冰复合脱盐的中间环节，通过微波处理从内部打开盐胞排出的通道，快速使冰体结构松散、加速脱盐进程、改善离心脱盐的效果。同时，采用微波处理可以省略常规重力脱盐后的碎冰步骤，将微波处理后剩余的冰直接在低转速、短时间内进行离心即可获得优异的脱盐效果。另外，采用微波处理具有杀菌作用，有利于改善水质，减少微生物的污染，控制微生物的生长繁殖。
由于采用本发明步骤(1)所述方法制备而成的冰性质特殊，为了使其中的盐胞充分打开，本发明选用频率2450MHz的微波进行处理。优选地，所述处理的时间可为1～10min，更优选为1～4min。
在实际操作中，所述微波处理设备的输入功率可按实际操作情况或依据设备本身的性能进行选择。作为一种优选方式，所述微波处理设备的输入功率可按照如下公式进行估算:
所述公式中：
P是指微波处理设备的输入功率，kw；
常数3.17是指海水冰比热，约为3.17kJ/(kg.℃)；
常数343.05是指海水冰融化潜热，约为343.05kJ/kg；
tice是指冰温，℃；可通过实际测量获得；
φ是指理论融化率，％；可在10～90％的范围内任意取值；
G是指微波处理的冰量，kg；可通过实际称量获得；
T是指微波处理的时间，s；将本发明所述具体处理时间代入即可；
η是微波处理设备的效率，可取55％～65％。
本发明所述微波处理利用的电能优选为LNG冷能发电或可再生能源发电。
本发明在采用微波处理冷冻后的海冰、改变其内部盐胞封闭结构的基础上，采用机械离心方法分离盐胞。步骤(3)所述离心的速度为1000～3000r/min；优选地，所述离心具体为：在1500～2500r/min条件下离心1～3min。
作为本发明的一种优选方案，所述方法包括如下步骤：
(1)取原始盐浓度为3～3.5％的海水；将液化天然气与二次冷媒充分进行间接换热，得到气态天然气并将冷量传递给二次冷媒后，再将所述二次冷媒与海水充分进行间接换热，将海水冷冻为冰和浓海水；冰水分离后，回收浓海水，冰备用；
(2)取步骤(1)所得冰，用频率2450MHz的微波处理设备进行微波处理1～4min；回收液体，剩余的冰备用；
(3)取步骤(2)所得剩余的冰，在1500～2500r/min条件下离心1～3min，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；
(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。
该方案通过对各个步骤的处理条件进行控制和优化，在充分降低成本、能耗、减排环保的基础上，可以实现较高脱盐率，同时获得较高的淡水回收率。
本发明所述脱盐率是指：处理后所得水中盐的浓度占海水原始盐浓度的百分比。
本发明的第二目的是提供一种基于液化天然气冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化装置。
具体而言，所述装置包括顺序连接的海水供应系统、海水冷冻及微波离心脱盐系统以及淡水系统。所述装置还包括为所述海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒循环系统。
所述海水冷冻及微波离心脱盐系统为本发明所述装置的核心，包括顺序连接的制冰机、冰水分离器、微波处理设备以及过滤式离心脱盐装置。
所述制冰机内包含间接换热器；所述间接换热器的一侧为二次冷媒循环系统，另一侧为海水分布装置和机械除冰装置。所述间接换热器可以实现二次冷媒与海水之间的间接换热。
为了实现高效脱盐、精简处理步骤，本发明所述海水冷冻及微波离心脱盐系统内，用于运送冰的传送带均优选为可以使冰水自然分离的孔隙结构，使在运输冰的过程中融化得到的少量水分与冰直接分离。
所述液化天然气气化系统为所述海水冷冻提供能量。该系统包括二次冷媒冷却器；所述二次冷媒冷却器为耐高压、耐低温间接式换热器，可采用板式、板翅式、管壳式等类型的换热器。
所述二次冷媒冷却器的一侧为天然气相变系统；所述天然气相变系统的入口端与液化天然气接收站内的储罐相连，出口端与天然气输送管网连接。液化天然气经过加压后进入二次冷媒冷却器，通过吸收二次冷媒的热量气化为气态天然气，输出至天然气输送管网。所述二次冷媒冷却器的另一侧为二次冷媒循环系统。
所述二次冷媒循环系统为循环通路；在从二次冷媒冷却器至制冰机的阶段内，包含顺序相连的储液罐、二次冷媒泵和逆止阀。所述二次冷媒循环系统内含有循环的二次冷媒介质；经二次冷媒泵输入制冰机换热器的一侧，吸收海水中的热量后焓值升高，循环进入二次冷媒冷却器，在其中将从海水中吸收的热量传递给液化天然气后焓值降低，如此循环。上述循环过程可以在制冰机和二次冷媒冷却器之间通过连续进行的循环传递热量，实现了能源的充分利用。
在所述海水冷冻及微波离心脱盐系统的实际运行过程中，海水通过海水分布装置被均匀分布于制冰机间接换热器一侧的表面，吸收二次冷媒介质的冷量后降温，部分海水在换热器表面结冰；冰与未结冰浓海水在冰水分离器中分离后，输送至微波处理设备，通过微波处理使冰体结构松散，从冰的内部打开盐胞排出的通道；经过传送装置将冰输送至过滤式离心脱盐装置，利用离心力作用，将冰与盐胞充分分离。上述脱盐步骤和设备简单，且由于微波可对物料整体进行加热，不仅有助于从内部打开盐胞的封闭结构，而且省却了常规加热的热传导时间，也节省了整个脱盐过程的时间；另外微波可直接加热物料不使箱体受热、物料受热的热能转换效率高，节约能源；相比于单纯的冷冻脱盐方法，大大提高了海水的脱盐率，生产的淡水可达到部分工农业生产及民用的要求。
所述淡水系统包括融冰槽。经步骤(3)离心处理后剩余的冰在融冰槽中完全融化后得到淡水，再通过管道输出至后处理系统或直接通过水泵及供水管网输出至用户。所述融冰槽内部设置原海水预冷盘管，使海水在进入制冰机前与待融化的冰进行热交换，使海水预冷和融冰同时进行，实现了能源的充分利用。所述融冰槽内部还可以设置辅助加热盘管，当原海水预冷盘管中待处理海水的热量不能满足融冰所需要的热量时，需要启动辅助加热盘管进行辅助加热；所述辅助加热盘管的热源应当优先采用太阳能等可再生能源、工业余/废热能或其他低品位热能。
所述海水供应系统中的原海水依次经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管与制冰机内的海水分布装置相连。待处理海水经过浓海水回收箱和融冰槽内的原海水预冷盘管，与浓海水和融冰槽内待融化的冰实现间接热交换，可以使海水在进入制冰机前实现预冷，从而提高制冰机的出冰率，同时回收浓海水中的冷量、将冰融化为淡水，实现了能源的充分利用，同时保证了进入制冰机的海水盐度稳定。
原海水在进入海水供应系统前可进行预处理。
本发明所述装置还包括浓海水回收系统。所述浓海水回收系统包括浓海水回收箱；所述浓海水回收箱的入口与冰水分离器的浓海水出口、微波处理设备和过滤式离心脱盐装置的液体出口及传输带的液体收集装置相连；所述浓海水回收箱的出口将浓海水输出后进行回收利用。本发明所得到的浓海水经过浓海水回收系统回收处理后，可以进一步加工利用，如输送至制盐或盐化工厂。
本发明所述装置可用于实施本发明所述的方法。
本发明提供的方法及装置利用低成本的LNG冷能作为基于冷冻过程的海水复合淡化工艺所需冷源，在此基础上，以微波处理过程从冰体内部改变盐胞的封闭结构，使其形成连通的通道，最后以机械离心作用分离盐胞，提高剩余冰的纯度，便于控制，步骤简单、节能环保，可以在寒冷条件下对淡化的各流程进行调控，缩短工艺时间，并通过对各级淡化操作的参数进行优化，实现了高脱盐率和降低工程成本、节省时间及能耗、便于实施等因素的平衡，具有极强的工业推广价值。
附图说明
图1为基于LNG冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化装置；图中：1、二次冷媒冷却器；2、制冰机；3、冰水分离器；4、微波处理设备；5、过滤式离心脱盐装置；6、融冰槽；7、二次冷媒泵；8、辅助加热盘管；9、海水分布装置；10、原海水预冷盘管；11、浓海水回收箱；12、储液罐；13、逆止阀。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
按照以下步骤进行海水淡化：
(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低后，再将所述无水乙醇与所述海水充分进行间接换热，使得一部分海水结冰；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；
(2)取步骤(1)所得冰505g，用频率2450MHz、输入功率为1300W的微波处理设备进行微波处理4min；回收液体，剩余的冰备用；
(3)取步骤(2)所得剩余的冰，在2000r/min条件下离心2min，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；
(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。
经本实施例处理后，海水的脱盐率为93.13％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的8.43％。
实施例2
按照以下步骤进行海水淡化：
(1)取原始盐浓度为3％的海水；将液化天然气与无水乙醇间接换热，得到气态天然气并使无水乙醇温度降低后，再将所述无水乙醇与所述海水充分进行间接换热，使得一部分海水结冰；冰水分离后，回收剩余海水，冰备用；
(2)取步骤(1)所得冰500g，用频率2450MHz、输入功率为1300W的微波处理设备进行微波处理80s；回收液体，剩余的冰备用；
(3)取步骤(2)所得剩余的冰，在2000r/min条件下离心2min，离心的同时使冰水分离；回收液体，剩余的冰备用；
(4)将步骤(3)所得剩余的冰完全融化，即可。
经本实施例处理后，海水的脱盐率为78.44％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的40.52％。
实施例3
与实施例1相比，区别仅在于，所述步骤(2)具体为：取步骤(1)所得冰505g，用频率2450MHz、输入功率为1300W的微波处理设备进行微波处理3min；回收液体，剩余的冰备用。
经本实施例处理后，海水的脱盐率为87.81％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的16.79％。
实施例4
与实施例1相比，区别仅在于，所述步骤(2)具体为：取步骤(1)所得冰502g，用频率2450MHz、输入功率为1300W的微波处理设备进行微波处理2min；回收液体，剩余的冰备用。
经本实施例处理后，海水的脱盐率为83.13％；处理后所得水的质量为步骤(2)所取冰质量的29.85％。
实施例5
一种基于液化天然气冷能的冷冻-微波-离心复合海水淡化装置，(如图1所示)，该装置包括顺序连接的海水供应系统、海水冷冻及微波离心脱盐系统以及淡水系统；该装置还包括为海水冷冻供能的液化天然气气化系统和二次冷媒循环系统；
所述海水冷冻及微波离心脱盐系统包括顺序连接的制冰机2、冰水分离器3、微波处理设备4以及过滤式离心脱盐装置5；
所述制冰机2内包含间接换热器；所述间接换热器的一侧为二次冷媒循环系统，另一侧为海水分布装置和机械除冰装置；
所述液化天然气气化系统包括二次冷媒冷却器1；所述二次冷媒冷却器1为板式结构，其一侧为天然气相变系统，另一侧为二次冷媒循环系统；所述天然气相变系统的入口端与液化天然气接收站内的储罐相连，出口端与天然气输送管网连接；
所述二次冷媒循环系统为循环通路，在从二次冷媒冷却器至制冰机内间接换热器的阶段内包含顺序相连的储液罐12、二次冷媒泵7和逆止阀13；
所述淡水系统包括融冰槽6；所述融冰槽6的内部设有原海水预冷盘管10和辅助加热盘管8；
所述海水供应系统的原海水经预冷盘管10依次与浓海水和淡化后的冰换热后与所述海水分布装置9相连；
该装置还包括浓海水回收箱11；所述浓海水回收箱11的入口与冰水分离器3的浓海水出口、微波处理设备4和过滤式离心脱盐装置5的液体出口及传输带的液体收集装置相连；所述浓海水回收箱11的出口将浓海水输出后进行回收利用。
上述实施例1～4提供的方法均可采用本实施例提供的装置实施。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。