一种节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺

本发明涉及一种盐碱水淡化装置，更具体的说，尤其涉及一种节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺。

背景技术：

淡水资源日渐短缺，但盐碱水资源丰富。在日常农业用水、工业用水、生活用水均离不开淡水，随着人口增长带来的用水紧张，自然资源的淡水源远远不能满足现在的生活所需，但自然资源中的盐碱水资源丰富，急需盐碱水淡化装置来淡化盐碱水以供人们使用。为解决淡水资源匮乏带来的问题，开发利用盐碱水资源必将在后续提上日程。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺。

本发明的节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺，其特征在于：盐碱水多级冷冻淡化装置包括预处理系统和冷冻系统，盐碱水经预处理系统处理后到冷冻系统进行冷却和淡化，预处理系统包括蓄水池、高密度沉淀池、v型滤池和多介质过滤器，蓄水池与高密度沉淀池的进水口经管道相连接，高密度沉淀池的出水口与v型滤池的进水口经管道相连接，v型滤池的出水口与多介质过滤器的进水口经管道相连接，多介质过滤器的出水口与所述的冷冻系统经管道相连接；

冷冻系统包括一级冷冻处理装置、一级淡水池、二级冷冻处理装置、二级淡水池和高级盐水池，一级冷冻处理装置的进水口与多介质过滤器的出水口经管道相连接，一级冷冻处理装置的出水口与一级淡水池的进水口经管道相连接，一级淡水池的出水口与二级冷冻处理装置的进水口经管道相连接，二级冷冻处理装置的出水口与二级淡水池的进水口经管道相连接，一级冷冻处理装置与二级冷冻处理装置的下端均设置有浓缩盐碱水出口且均与高级盐水池相连接；

一级冷冻处理装置上设置有多级冷冻处理结构，每级的冷冻处理结构并联组成一级冷冻处理装置，每一级冷冻处理结构的前侧均连接有遇冷装置，冷冻处理结构包括有加压泵、进水阀、转动式冷冻淡化器、重力脱盐池和浓缩盐水出水阀，遇冷装置的进水管与一级冷冻处理装置的进水总管相连接，遇冷装置的出水管分别与各级的冷冻处理结构的加压泵的进水口经管道相连接，加压泵的出水口与进水阀的进水口经管道相连接，进水阀的出水口与转动式冷冻淡化器的进水口经管道相连接，转动式冷冻淡化器的出口与重力脱盐池的进水口经管道相连接，浓缩盐水出水阀设置于转动式冷冻淡化器与重力脱盐池之间的连接管道上，重力脱盐池的出水口与一级淡水池的进水口经管道相连接，转动式冷冻淡化器的下端设置有浓缩盐碱水出口且均与高级盐水池经管道相连接；

每级的冷冻处理结构上均设置有多个转动式冷冻淡化器相并联，每个转动式冷冻淡化器的进水口均与进水阀的出水口经管道相连接，每个转动式冷冻淡化器的浓缩盐碱水出口均与高级盐水池经管道相连接；

转动式冷冻淡化器上设置有外筒和制冷转子，制冷转子与外筒之间形成用于冷水结冰分离的腔体，腔体内的左侧的中部设置有进水最低水位感应器，腔体内的左侧的中上部设置有进水最高水位感应器，腔体内的底部设置有用于感应淡化后浓缩盐碱水的盐碱度的盐度感应器和出水水位感应器；外筒的右侧设置有用于冰晶流出的开口，制冷转子的右侧的中部设置有刮冰刀，刮冰刀的一端与制冷转子相接，用于刮擦制冷转子上凝结的冰晶，另一端穿过外筒右侧的开口伸入到重力托盐水池内；

二级冷冻处理装置与一级冷冻处理装置的结构相同，一级淡水池的内一级淡水设置为二级冷冻处理装置的进水，经二级冷冻处理装置淡化后的二级淡水流入二级淡水池，经二级冷冻处理装置淡化后剩余的浓缩盐碱水流入高级盐水池；

高级盐水池入水口的前端设置有加压水泵，高级盐水池内侧的入水口处设置有雾化喷头，高级盐水池的右上端设置有用于冷却低盐水雾成水的冷凝管，冷凝管的下端设置有用于承接淡水的淡水承接盘，高级盐水池的底部设置有用于承接高盐水雾的高盐水承接盘，高级盐水池的底部侧面开设有高盐水出口，高级盐水池外侧的高盐水出口的下端设置有用于高盐水晾晒的晾晒场；

盐碱水多级冷冻淡化工艺，通过以下步骤实现：

a).原水的初级过滤；原水由蓄水池流入高密度沉淀池，在高密度沉淀池中去除原水中的悬浮物、暂时硬度、碱度和色度，经高密度沉淀池过滤后流入v型滤池，在v型滤池中去除原水中因高密度沉淀池未处理干净的部分悬浮物，经v型滤池处理后的原水流向多介质过滤器，在多介质过滤器中去除原水中的悬浮物、胶态杂质以及微小粒子和细菌，形成初滤盐碱水，控制经初级过滤后的初滤盐碱水平均含盐量小于8g/l；

b).一级冷冻处理；将步骤a)获取的初滤盐碱水送入一级冷冻处理装置过滤，首先将初滤盐碱水通入预冷装置预冷至0℃，开启进水阀，在加压泵的作用下将初滤盐碱水通入转动式冷冻淡化器进行淡化，冷媒通入转子内形成制冷转子，制冷转子处于设定结冰温度范围内；随着制冷转子的转动，初滤盐碱水遇冷结冰，冰晶附着于制冷转子上，冰层厚度逐渐增加，刮冰刀将附着于制冷转子的冰晶剥离，进入重力托盐水池进行重力托盐，冰片融化形成一级淡水，汇总进入一级淡水池，并作为二级冷冻处理装置的原水进行二次淡化；

初滤盐碱水淡化后，一级淡水池内的一级淡水平均含盐量为3g/l，当浓缩盐碱水的含盐量达到9.14g/l时，到达一级浓缩水阈值，一级冷冻处理装置的浓缩盐水出水阀自动开启放水，浓缩盐碱水通入高级盐水池；

c).二级冷冻处理；一级淡水进入二级冷冻处理装置过滤：一级淡水进入二级冷冻处理装置进行淡化，淡化后，二级淡水池内的二级淡水平均含盐量为2g/l，当浓缩盐碱水的含盐量达到8.43g/l时，到达二级浓缩水阈值，二级冷冻处理装置的浓缩盐水出水阀自动开启，浓缩盐碱水流入高级盐水池；

d).浓缩盐碱水在高级盐水池内淡化：浓缩盐碱水在高级盐水池内经冷却、雾化分离出淡水，高盐度盐碱水最后进入晾晒场进行晾晒、结晶形成盐晶粒，盐碱原水淡化完成。

本发明的有益效果是：本发明的节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺，通过设置前置蓄水池、高密度沉淀池、v型滤池以及多介质过滤器，实现了盐碱水的初级过滤，去除了原水中的悬浮物等杂质。通过设置相同结构的一级冷冻处理装置及二级冷冻处理装置，实现了盐碱水的自动过滤及净化，得到了淡水及浓缩高盐水。通过结冰速率和接触面积(初滤盐碱水与低温转子)关系确定淡水产水量。通过脱盐率及淡水矿化度要求确定进水量、浓缩盐水阈值。通过设置高盐水池，实现了高浓度盐碱水的终极过滤及净化，全程实现零污染的盐碱水净化过程，安全环保，工作效率高，大大的缓解了淡水资源短缺的压力，为人们的生活提供了保障。

附图说明

图1为本发明的节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺的淡化流程结构示意图；

图2为本发明的一级冷冻处理装置和二级冷冻处理装置的结构示意图；

图3为本发明的沿图2中a-a线的剖视图；

图4为本发明的转动式冷冻淡化器的结构示意图；

图5为本发明的能量转换图。

图中：1蓄水池，2高密度沉淀池，3v型滤池，4多介质过滤器，5一级冷冻处理装置，6一级淡水池，7二级冷冻处理装置，8二级淡水池，9高级盐水池；

501遇冷装置，502加压泵，503进水阀，504转动式冷冻淡化器，505刮冰刀，506重力脱盐水池，507浓缩盐水出水阀，508盐度感应器，509出水水位感应器，510冷凝管，511制冷转子，512外筒，513晾晒场，514雾化喷头，515高盐水承接盘，516进水最高水位感应器，517进水最低水位感应器，518淡水承接盘，519加压水泵。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺的淡化流程结构示意图，图2及图3给出了本发明的一级冷冻处理装置和二级冷冻处理装置的整体结构示意图，所示的节能的盐碱水多级冷冻淡化装置及工艺，包括预处理系统和冷冻系统，盐碱水经预处理系统处理后到冷冻系统进行冷却和淡化，预处理系统包括蓄水池1、高密度沉淀池2、v型滤池3和多介质过滤器4，蓄水池1与高密度沉淀池2的进水口经管道相连接，高密度沉淀池2的出水口与v型滤池3的进水口经管道相连接，v型滤池3的出水口与多介质过滤器4的进水口经管道相连接，多介质过滤器4的出水口与所述的冷冻系统经管道相连接。

高密度沉淀池2去除原水中的悬浮物、暂时硬度、碱度和色度，v型滤池3去除原水中因高密度沉淀池未处理干净的部分悬浮物，多介质过滤器4去除原水中的悬浮物或胶态杂质，特别是能有效地去除沉淀技术不能去除的微小粒子和细菌等，bod5和cod等有某种程度的去除效果，形成初滤盐碱水(去除杂质后的盐碱水)。

冷冻系统包括一级冷冻处理装置5、一级淡水池6、二级冷冻处理装置7、二级淡水池8和高级盐水池9，一级冷冻处理装置5的进水口与多介质过滤器4的出水口经管道相连接，一级冷冻处理装置5的出水口与一级淡水池6的进水口经管道相连接，一级淡水池6的出水口与二级冷冻处理装置7的进水口经管道相连接，二级冷冻处理装置7的出水口与二级淡水池8的进水口经管道相连接，一级冷冻处理装置5与二级冷冻处理装置7的下端均设置有浓缩盐碱水出口且均与高级盐水池9相连接。

一级冷冻处理装置5上设置有多级冷冻处理结构，每级的冷冻处理结构并联组成一级冷冻处理装置5，每一级冷冻处理结构的前侧均连接有遇冷装置501，冷冻处理结构包括有加压泵502、进水阀503、转动式冷冻淡化器504、重力脱盐池506和浓缩盐水出水阀507，遇冷装置501的进水管与一级冷冻处理装置5的进水总管相连接，遇冷装置501的出水管分别与各级的冷冻处理结构的加压泵502的进水口经管道相连接，加压泵502的出水口与进水阀503的进水口经管道相连接，进水阀503的出水口与转动式冷冻淡化器504的进水口经管道相连接，转动式冷冻淡化器504的出口与重力脱盐池506的进水口经管道相连接，浓缩盐水出水阀507设置于转动式冷冻淡化器504与重力脱盐池506之间的连接管道上，重力脱盐池506的出水口与一级淡水池6的进水口经管道相连接，转动式冷冻淡化器504的下端设置有浓缩盐碱水出口且均与高级盐水池9经管道相连接。

每级的冷冻处理结构上均设置有多个转动式冷冻淡化器504相并联，每个转动式冷冻淡化器504的进水口均与进水阀503的出水口经管道相连接，每个转动式冷冻淡化器504的浓缩盐碱水出口均与高级盐水池9经管道相连接。

如图4所示，给出了本发明的转动式冷冻淡化器的结构示意图，所示的转动式冷冻淡化器504上设置有外筒512和制冷转子511，制冷转子511与外筒512之间形成用于冷水结冰分离的腔体，腔体内的左侧的中部设置有进水最低水位感应器517，腔体内的左侧的中上部设置有进水最高水位感应器516，腔体内的底部设置有用于感应淡化后浓缩盐碱水的盐碱度的盐度感应器508和出水水位感应器509；外筒512的右侧设置有用于冰晶流出的开口，制冷转子511的右侧的中部设置有刮冰刀505，刮冰刀505的一端与制冷转子511相接，用于刮擦制冷转子511上凝结的冰晶，另一端穿过外筒512右侧的开口伸入到重力托盐水池506内。

二级冷冻处理装置7与一级冷冻处理装置5的结构相同，一级淡水池6的内一级淡水设置为二级冷冻处理装置7的进水，经二级冷冻处理装置7淡化后的二级淡水流入二级淡水池8，经二级冷冻处理装置7淡化后剩余的浓缩盐碱水流入高级盐水池9。

初滤盐碱水经预冷装置501，降温至0℃，进入外筒512与制冷转子511之间的腔体内，冷媒通入转子内形成制冷转子511，制冷转子511处于设计结冰温度范围内。随着制冷转子511的转动，初滤盐碱水遇冷结冰，冰层厚度逐渐增加，刮冰刀505将附着于制冷转子511的冰晶剥离，进入重力脱盐水池506进行重力脱盐，冰片融化形成一级淡水，汇总进入一级淡水池6，并作为二级冷冻处理装置7的原水二次淡化。进水最高水位感应器516与进水最低水位感应器517设置于外筒512与制冷转子511之间的腔体内，水量到达最低水位时，进水阀503自动开启及时补充水量。

盐度传感器508对腔体内剩余盐碱水盐度进行探知，到达浓缩水阈值时，浓缩盐水出水阀507自动开启及时排出浓缩盐水，排除水到达设定水位时，出水水位感应器509感应到水位到达最低水位时，进水阀503自动开启及时补充水量。

高级盐水池9入水口的前端设置有加压水泵519，高级盐水池9内侧的入水口处设置有雾化喷头514，高级盐水池9的右上端设置有用于冷却低盐水雾成水的冷凝管510，冷凝管510的下端设置有用于承接淡水的淡水承接盘518，高级盐水池9的底部设置有用于承接高盐水雾的高盐水承接盘515，高级盐水池9的底部侧面开设有高盐水出口，高级盐水池9外侧的高盐水出口的下端设置有用于高盐水晾晒的晾晒场513。

本发明的淡水流路径:初滤盐碱水进入预冷装置501预冷至0℃，开启进水阀503，使初滤盐碱水充满外筒512与制冷转子511之间的腔体内，冷媒通入转子内形成制冷转子511，使制冷转子511处于设计结冰温度范围内；随着制冷转子511的转动，初虑盐碱水遇冷结冰，冰层厚度逐渐增加，刮冰刀505将附着于制冷转子511的冰晶剥离，进入重力脱盐水池506进行重力脱盐，冰片融化形成一级淡水，汇总进入一级淡水池6内，并作为二级冷冻装置7的原水二次淡化。

高盐水流路径：淡水冰逐渐析出，外筒512与制冷转子511之间的腔体内剩余盐碱水矿化度逐渐升高，当到达一级浓缩水阈值时(由盐度感应器508探知)，浓缩盐水出水阀507自动开启，放空腔体内剩余液体。二级冷冻装置7运行流程同上。汇总浓缩水经加压水泵519加压，并在雾化喷头514作用下形成水雾，低盐水雾遇顶部冷凝管510冷凝，形成淡水落入淡水承接盘518。高盐水雾下降落入高盐水承接盘515，流向高盐水出口，进入晾晒场513进行晾晒。

如图5所示，给出了本发明的能量转换图，初滤盐碱水经预冷装置501，降温至0℃，放出热量可供重力脱盐水池506中的冰片融化及升高高盐水温度。制冷转子511内流出的冷媒通过重力脱盐水池506中的换热通道，与待融冰进行热交换，再经空气冷却器，降温至-15℃，进入低温转子内继续工作。

本发明的进水量及浓缩水阈值确定计算步骤如下：

一级浓缩水阈值确定：

一次冷冻脱盐率为65％，初滤盐碱水含盐量8g/l，一级淡水含盐量≤3g/l。最终淡水含盐量≤2g/l。

一级淡水平均含盐量为3g/l，进水平均含盐量为8.57g/l；进水水质最低含盐量8g/l，出水水质最低含盐量2.8g/l；出水水质最高含盐量为3.2g/l.进水水质最高含盐量为9.14g/l。当浓缩盐水含盐量为9.14g/l时，到达一级浓缩水阈值，浓缩水出水阀自动开启。

一级冷冻系统进水量确定：

盐分平衡：8.57v2'+3v1'＝8v

体积平衡：v＝v1+v2＝v1'+v2'

v2＝v1'

v1'＝at

其中v1为单根转筒内初始水量m³，v2为进水量m³，v1'为淡水出水量m³，v2'为浓缩盐水出水量m³，v为总体积m³，a为产冰速率m³/h，t为进水时间m³。

v1＝28π×300×10＝0.26m³；v2＝0.0296m³；v1'＝0.0296m³；v2'＝0.26m³；

a＝(0.3121×28π×28π+9.6)×(300÷28π)＝0.082m³/h

t＝0.0296÷0.082＝0.36h

0.36h外筒与低温转子腔体内进水量为0.0296m³，总水量为0.2896m³。一级冷冻系统全天进水量为965.3m³。

二级浓缩水阈值确定：

一次冷冻脱盐率为65％，初始盐碱水含盐量(进水水质最低含盐量)3g/l，最终出水水质含盐量≤2g/l。

二级淡水水池出水水质平均含盐量为2g/l，进水平均含盐量为5.7g/l；进水最低含盐量3g/l，出水最低含盐量1.05g/l；出水最高含盐量为2.95g/l.进水最高含盐量为8.43g/l。当浓缩盐水含盐量为8.43g/l时，到达二级浓缩水阈值，浓缩水出水阀自动开启。

二级冷冻系统进水量确定：

盐分平衡：5.7v2'+2v1'＝3v

体积平衡：v＝v1+v2＝v1'+v2'

v2＝v1'

v1'＝at

其中v1为单根转筒内初始水量m³，v2为进水量m³，v1'为淡水出水量m³，v2'为浓缩盐水出水量m³，v为总体积m³，a为产冰速率m³/h，t为进水时间m³。

v1＝28π×300×10＝0.26m³；v2＝0.702m³；v1'＝0.702m³；v2'＝0.26m³；

a＝(0.3121×28π×28π+9.6)×(300÷28π)＝0.082m³/h

t＝0.702÷0.082＝8.56h

8.56h外筒与低温转子腔体内进水量为0.702m³，总水量为0.962m³。一级冷冻系统全天进水量为134.86m³。

冷冻系统全年总进水量。

965.3×365＝3.5×10⁵m³

产水量分析。

y＝0.3121x+9.6

其中y为预冷后盐碱水与内筒的接触面积cm²,y为产冰速率ml/h.设计金属内筒直径为50cm,长度为300cm。内筒与外筒的间隙为10cm。一级冷冻系统采用60根转筒。二级冷冻系统采用43根转筒。

单根每小时产水量：

y＝0.3121x+9.6＝(0.3121×28π×28π+9.6)×(300÷28π)＝0.082m³/h

单根一天产水量：0.082×24＝1.97m³/h

二级冷冻系统单根金属转筒每小时进水量为：0.962÷8.56＝0.112m³/h

二级转筒数量确定：0.082×60÷0.112＝43根

每天总产水量：1.97×43＝84.71m³

年产水量：84.71×365＝3.09万m³

能量分析。

q＝cmδt

q为吸收或放出的热量j,c为物质的比热j/kg℃，m为物体的质量kg，δt为温度变化℃。

运行工况选择在新疆阿克苏地区,以夏季工况为例,夏季8月份，平均气温为31℃，农田排水平均温度为27℃。

预处理后盐碱水预冷过程产生的能量为1.09×10¹¹j

m＝ρv＝10³×965.3＝9.65×10⁵kg

m为质量kg，ρ为密度kg/m²。

q＝cmδt＝4.2×10³×9.65×10⁵×(27-0)＝1.09×10¹¹j

一级重力脱盐水池冰片融化时，吸收总热量为2.89×10¹¹j。

v＝1.97×60＝118.2m³

m＝ρv＝0.9×10³×118.2＝1.06×10⁵kg

q＝cmδt＝2.1×10³×1.06×10⁵×(-13-0)＝-2.89×10⁹j

二级重力脱盐水池冰片融化时，吸收总热量为2.08×10⁹j。

v＝1.97×43＝84.71m³

m＝ρv＝0.9×10³×84.71＝7.62×10⁴kg

q＝cmδt＝2.1×10³×7.62×10⁴×(-13-0)＝-2.08×10⁹j。