一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置及工作方法

1.本发明涉及一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置及工作方法，通过利用余热将空化效果发挥最大化，通过空化处理污水达到了污水排放的要求。属于能源利用环保技术领域。


背景技术：

2.由于人类的不断发展，对于生态环境的破坏比较严重，人口的增长伴随着垃圾的增长，每年都有几十亿吨的废物被排入大海之中，大量的污染物质毫无节制地排向海洋，沿海河口海湾以及沿海大中城市毗邻的近海域污染加剧，海洋环境质量逐年下降，近海污染范围扩大。水力空化技术可广泛应用于生活污水、工业污水、暴雨降水等污水源，最主要的应用是降解有机物。随着工业的迅速发展，水中有害的人工合成化学物质和难降解的有机物逐年增多，传统的水处理方法已经不能满足新的环保要求。由于海水的污染情况比较严重，所以对于海上污水处理的方式也出现许多种，但是目前的技术还是存在有许多不足的地方，针对现有技术的不足，设计一种新型的污水处理系统，该系统进行工艺优化，使经该系统处理的污水的各项指标优于排放要求，对于海水污染的处理具有较好的作用,减少海水污染的危害，保证海中水生植物和动物的健康，这样才能够保证人类与海洋的和睦共处。
3.空化技术是一种新型的水处理技术，其气液两相流动过程中，空穴溃灭瞬间产生的高温、高压、高能量、自由基、强烈的物理剪切力可以对流体进行处理，起到除污、破碎、混匀、除菌等效果。与传统的废水处理方法相比，空化技术处理效率高，所需能耗低、应用范围广、处理效果好。根据空化产生的形式一般可以分为声空化、水力空化、光空化和粒子空化四种类型，其中，声空化和水力空化成为水处理研究学者关注的焦点。80年代末发展的超声空化降解水中毒性有机污染物，是一种高效、低成本的水处理方法，但由于声空化的最大弊端是难以实现工业化，人们开始研究另一种产生空化的方法，即水力空化。与声空化相比，水力空化具有反应装置简单、能耗相对小、操作方便、维护费用低、易实现规模化等优点。因此，污水处理行业的发展和污水处理技术的需求，为水力空化技术的推广应用提供了发展契机和巨大的市场需求。
4.水力空化技术可广泛应用于生活污水、工业污水、暴雨降水等污水源，最主要的应用是降解有机物。随着工业的迅速发展，水中有害的人工合成化学物质和难降解的有机物逐年增多，传统的水处理方法已经不能满足新的环保要求。而水力空化技术在有毒、难降解有机污染水体的处理领域具有显著的处理效果，可实现硝基苯酚的降解、油田废水的降解、工业废水处理、饮用水消毒等。
5.申请号为cn201610956419.3，名称为“一种基于空化效应的污水处理及废热利用一体化装置”的发明专利，公开了一种基于空化效应的污水处理及废热利用一体化装置，该装置在污水进水管和清水进水管相交处设有喷嘴，用于形成负压区，使得污水可被吸入并与清水混合，混合水喷入空化反应炉体内发生空化反应，可形成瞬间的高温高压微环境和微射流，使得污水中有机质被氧化分解。但该装置无法实现污水的温度调节。
6.申请号为201611209933.7，名称为“一种水力空化污水处理设备”的发明专利，公开了一种水力空化污水处理设备，污水通过两个同心对称安装的组合式空化装置，经过空化处理的液体在撞击流室中对撞完成空化过程。该设备采用两个同心对称安装的组合式空化装置进行流体撞击，但多次撞击产生振动疲劳，从而降低了设备的使用寿命。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有污水处理技术存在的不足，进而提供一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置及工作方法。
8.本发明是通过将发动机缸套水余热与空化处理装置相结合，不但可以突出空化效果，而且还可以提高空化效率，力求达到最高程度的空化效果，提高污水净化效率，降低能耗。
9.为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：
10.一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置，包括第一污水箱1、离心泵2、换热器3、发动机缸套水箱4、组合式空化装置6、第二污水箱8、检测装置9、第一截止阀10、第二截止阀11，所述第一污水箱1通过管道连接所述离心泵2，所述离心泵2通过管道连接所述换热器3接口a，所述换热器3接口b通过方圆管道连接所述组合式空化装置6，所述换热器3接口c和接口d通过管道连接所述发动机缸套水箱4，所述组合式空化装置6通过管道连接所述第二污水箱8，所述第二污水箱8通过管道连接所述检测装置9、所述第一截止阀10，所述第二污水箱8通过管道连接所述第一污水箱1。
11.进一步优选，所述离心泵2和所述换热器3接口a之间设有膨胀阀5，所述膨胀阀5的感温包设在所述换热器3接口b和所述组合式空化装置6之间。
12.进一步优选，所述换热器3为管式换热器或板翅式换热器。
13.进一步优选，所述组合式空化装置6进出接口之间并连有差压变送器7。
14.进一步优选，所述组合式空化装置6由多孔板6
‑
1、文丘里管6
‑
2、多孔空化器6
‑
3和方圆变径管6
‑
4组成，所述文丘里管6
‑
2的进出口端分别依次连接多孔空化器6
‑
3和方圆变径管6
‑
4，所述多孔空化器6
‑
3设置在出口端的方圆变径管6
‑
4出口，所述文丘里管6
‑
2进口端锥度a1＝48
°
～53
°
，出口端锥度a2＝21
°
～24
°
，进口端长度l4＝58～71mm，喉部长度l5＝90～120mm，出口端长度l6＝138～168mm，所述方圆变径管6
‑
4总长l7＝80～90mm，圆管段长度l8＝40～50mm，圆管段半径r2＝10～12mm。
15.进一步优选，所述多孔板6
‑
1的通孔为正方形排列或者环行排列，通孔半径r1＝1～2mm，多孔板边长l1、安装孔距l2和通孔面边长l3的长度之比取值为10：9：8，多孔板边长l1＝72～80mm。
16.进一步优选，所述文丘里管6
‑
2的喉径形状采用方形直管，方形直管d＝20～25mm。
17.进一步优选，所述第二污水箱8安置在高于所述第一污水箱1水平面的位置。
18.为达到上述目的，本发明实现目的所采取的另一技术方案是：
19.一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置的工作方法，具体内容和步骤包括：
20.开启离心泵2后，第一污水箱1内的污水通过管道进入换热器3，污水从换热器3的接口a进入与发动机缸套水箱4进行换热后，通过膨胀阀5的感温包控制污水的温度，污水升温后从换热器3的接口b流出，接着再进入组合式空化装置6，空化后的污水进入第二污水箱
8，通过检测装置9检测污水，当达到排放要求后，则打开第一截止阀10进行排放；当未达到排放标准，则打开第二截止阀11污水回流进入第一污水箱1，如此循环。
21.与现有技术相比，本发明的一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置，具有的突出优点和有益效果如下：
22.1、组合式空化装置，可灵活改变两个发生装置的位置，可根据文丘里管喉部长度的不同更换文丘里管，方便更换损耗部件。当装置运行时，液体在多孔板中加速而压力下降，形成多股射流而空泡产生，多股射流在扩散过程中减速使压力升高，空泡溃灭。水流继而往下游，流经文丘里管收缩段中加速而压力下降，液体再次发生空化，至扩散段时压力再次升高空泡溃灭。水流在此装置中可以连续三次发生空化，提高空化反应效率。根据仿真软件fluent模拟数据在不同温度下的空化率比现有技术提高约32.5～44.6％，空化效果明显。
23.2、利用船舶余热作为热源，使进入组合式空化装置的污水吸热升温，提高进入组合式空化装置中污水的温度，有利于空化泡的溃灭。通过膨胀阀调节流量来控制污水的温度，及时快速的调整其最佳空化温度，达到最佳空化效果。应用有限元仿真评估文丘里管空化效果，通过fluent软件计算分析，得到不同温度下最大蒸汽含量如图9所示。温度越高，液体饱和蒸汽压越大，文丘里管低压区域越容易发生空化。同时随着温度升高，液体中溶解气体的含量逐渐减小，可以理解为温度升高，空化强度反而越弱。从图9中可以看出，温度大约在20℃到40℃之间，液体含气量对空化起主导作用。温度在40℃到70℃之间，蒸汽含量一直呈递增趋势，液体饱和蒸汽压对空化的影响起主导作用。综合两方面因素(液体饱和蒸汽压、液体含气量)综合发挥作用，将污水温度控制在40℃到70℃之间在此装置中的空化强度效果最佳。
24.3、利用差压变送器进行测定观察介质的物化性质和洁净程度及水管的压力，从而保证所述空化反应安全顺利进行。
25.4、大量污染物排入海洋，造成海洋环境质量逐年下降，近海污染范围扩大。利用船舶余热进行空化处理污水，既能有效降解污水中的有机物和有害化学物质，避免直接排放对海水造成的污染，又能合理利用船舶余热，避免热能资源的浪费实现能源的可持续利用。
26.5、现阶段声空化水处理难以实现工业化，本发明装置结构简单、能耗相对小、操作方便、维护费用低、易实现规模化，可实现油田废水、工业废水、饮用水消毒等多领域污水降解处理。
附图说明
27.图1为本发明一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置的结构原理示意图；
28.图中附图标记说明：1
‑
第一污水箱、2
‑
离心泵、3
‑
换热器、4
‑
发动机缸套水箱、5
‑
膨胀阀、6
‑
组合式空化装置、7
‑
差压变送器、8
‑
第二污水箱、9
‑
检测装置、10
‑
第一截止阀、11
‑
第二截止阀。
29.图2为组合式空化装置的结构示意图；
30.图中附图标记说明：6
‑
1为多孔板、6
‑
2为文丘里管、6
‑
3为多孔空化器、6
‑
4为方圆变径管。
31.图3为组合式空化装置的多孔板的构造示意图，其中，图(a)为多孔板主视图，图
(b)为多孔板俯视图；
32.图4为组合式空化装置的文丘里管的构造示意图，其中，图(a)为文丘里管主视图，图(b)为文丘里管剖面图；
33.图5为组合式空化装置的方圆变径管的构造示意图，其中，图(a)为方圆变径管主视图，图(b)为方圆变径管剖面图；
34.图6为实施案例中文丘里管出口锥度
‑
蒸汽含量曲线图；
35.图7为实施案例中文丘里管进口锥度
‑
蒸汽含量曲线图；
36.图8为实施案例中文丘里管喉部长度
‑
蒸汽含量曲线图；
37.图9为实施案例中污水温度
‑
蒸汽含量曲线图。
具体实施方式
38.为使本发明的上述目的、特性和优点更加明显易懂，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
39.如图1所示，为本发明实施例的一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置，所述装置包括：第一污水箱1、离心泵2、换热器3、发动机缸套水箱4、膨胀阀5、组合式空化装置6、差压变送器7、第二污水箱8、检测装置9、第一截止阀10、第二截止阀11。所述第一污水箱1通过管道连接所述离心泵2，所述离心泵2通过管道连接所述膨胀阀5，所述膨胀阀5通过管道连接所述换热器3的a接口，所述换热器3的b接口通过方圆管道连接所述组合式空化装置6，所述换热器3的c接口和d接口通过管道连接所述发动机缸套水箱4，所述组合式空化装置6通过管道连接所述第二污水箱8，所述差压变送器7并连设在所述组合式空化装置6的进出口两端之间，所述第二污水箱8通过管道连接所述检测装置9、所述第一截止阀10，所述第二污水箱8通过管道连接所述第二截止阀11，所述第二截止阀11通过管道连接所述第一污水箱1。
40.其中，所述离心泵2和所述换热器3接口a之间设有膨胀阀5，所述膨胀阀5的感温包设在所述换热器3接口b和所述组合式空化装置6之间。
41.所述换热器3为板翅式换热器。
42.所述组合式空化装置6进出接口之间并连有差压变送器7。
43.如图2所示，所述组合式空化装置6由多孔板6
‑
1、文丘里管6
‑
2、多孔空化器6
‑
3和方圆变径管6
‑
4组成，所述文丘里管6
‑
2的进出口端分别依次连接多孔空化器6
‑
3和方圆变径管6
‑
4，所述多孔空化器6
‑
3设置在出口端的方圆变径管6
‑
4出口。
44.如图3所示，所述多孔板6
‑
1的通孔为正方形排列，通孔半径r1＝2mm，多孔板边长l1＝80mm，安装孔距l2＝72mm和通孔面边长l3＝64mm。
45.如图4所示，所述文丘里管6
‑
2的喉径形状采用方形直管，方形直管d＝20mm，进口端锥度a1＝50
°
，出口端锥度a2＝22
°
，进口端长度l4＝68mm，喉部长度l5＝100mm，出口端长度l6＝168mm。
46.如图5所示，所述方圆变径管6
‑
4总长l7＝82mm，圆管段长度l8＝40mm，圆管段半径r2＝10mm。
47.所述第二污水箱8安置在高于所述第一污水箱1水平面的位置。
48.本发明的一种利用船舶余热进行空化处理污水的装置的工作方法，具体过程：
49.开启离心泵2后，第一污水箱1内的污水通过管道进入换热器3，污水从换热器3的接口a进入与发动机缸套水箱4进行换热后，通过膨胀阀5的感温包控制污水的温度，污水升温后从换热器3的接口b流出，接着再进入组合式空化装置6，空化后的污水进入第二污水箱8，通过检测装置检测污水，达到排放要求后，打开第一截止阀10进行排放。未达到排放标准，打开第二截止阀11污水回流进入第一污水箱1，如此循环。
50.通过有限元仿真评估文丘里管空化效果，应用fluent软件计算分析，得到不同进、出口锥度和喉部长度的蒸汽含量如图6、7和8所示，本实施实例中当文丘里管6
‑
2的进口锥度处于进口端锥度a1＝50
°
，出口端锥度a2＝22
°
，喉部长度l5＝100mm时，空化效果明显；不同温度下最大蒸汽含量如图9所示，温度越高，液体饱和蒸汽压越大，文丘里管低压区域越容易发生空化，将污水温度控制在40℃到70℃之间在此装置中的空化强度效果最佳。
51.以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换等，应均在本发明的保护范围之内。