一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统及方法

1.本发明涉及一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统及方法，属于含盐废水低碳处理领域。


背景技术：

2.随着我国实现“双碳”目标的实现日期不断临近，低碳排放逐渐成为不同行业发展重点。虽然机械蒸汽再压缩技术能够回收二次蒸汽，减少新鲜蒸汽的消耗，但在实际运行过程中，压缩机功耗以及首次运行生蒸汽等环节依然需要电能。我国主要的发电方式仍然是火力发电，因此碳排放量不可忽视。需要设计应用可再生清洁能源作为含盐废水蒸发热源的系统，在废水处理技术领域实现低碳排放。
3.已有部分专利提出了处理含盐废水的机械蒸汽再压缩技术低碳运行的应用方法。专利cn106044905a提出一种利用余热蒸发器和浸没燃烧蒸发器处理高盐有机废水，通过利用不同蒸发器产生的二次蒸汽作为热源蒸发。但在运行过程中，系统依然需要引入新鲜蒸汽和燃气，需要配备蒸汽压缩机等高能耗设备，增加系统碳排放。专利cn109179832a提出一种利用高温余热蒸发、低温余热预热物料的不同温度余热利用形式，实现余热资源的分段回用。但在具体运行过程中，该系统需要开启锅炉、汽轮机等耗功设备，虽然设计了耗功设备蒸汽的回收利用，但不能避免多个耗功设备的电能消耗，无法实现系统低碳排放。
4.本发明提供了一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统及方法。系统采用机械蒸汽再压缩技术蒸发含盐废水，耦合逆向蒸发冷却技术预先蒸发含盐废水为浓溶液，减少后续蒸发器蒸发所需热量；利用太阳能集热器与含盐废水换热，避免消耗高温热能加热物料；同时回用低温余热驱动热泵，提升二次蒸汽温度并利用二次蒸汽作为热源继续蒸发，减少压缩机等设备的电能消耗；系统在预蒸发、物料加热和二次蒸汽升温三个方面利用可再生清洁能源替代传统燃料，降低系统整体碳排放，真正实现含盐废水处理过程的低碳排放。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统及方法，本发明有助于推动低碳技术在使用热力法蒸发含盐废水领域的应用。
6.本技术实施例提供一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统，由逆向蒸发冷却系统、太阳能加热系统、蒸发系统、余热热泵系统四部分组成；其中逆向蒸发冷却系统包括进料箱、进料泵、冷却塔, 冷却塔内从上而下依次设置喷淋管、填料、热空气区；进料箱与进料泵入口相连，进料泵出口与喷淋管相连；冷却塔出料口位于冷却塔侧面底部；其中太阳能加热系统包括止回阀、太阳能集热器、第一物料管、第二物料管、第三物料管、三通阀、第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀；冷却塔出料口和三通阀第一入口相连，三通阀出口与第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀分别相
连，第一流量调节阀、第二流量调节阀和第三流量调节阀分别对应安装在第一物料管、第二物料管、第三物料管入口；第一物料管、第二物料管和第三物料管均位于太阳能集热器表面，其出口分别与止回阀的三个入口相连；其中蒸发系统包括蒸发器、压力表、真空泵、第四流量调节阀、流量计、循环泵、第一截止阀、第二截止阀、结晶装置、冷凝水箱、气液分离器；其中蒸发器表面设置有蒸汽出口、二次蒸汽入口、含盐废水入口、结晶出口、冷凝水出口、浓缩液出口；其中二次蒸汽入口位于蒸发器顶部；结晶出口位于蒸发器侧面底端；冷凝水出口位于蒸发器底部；止回阀出口与第一截止阀入口相连，第一截止阀出口与含盐废水入口相连；蒸汽出口与气液分离器入口相连，气液分离器出口与冷凝器侧入口相连，冷凝器侧出口与二次蒸汽入口相连，结晶出口与结晶装置相连；冷凝水出口与冷凝水箱相连，；浓缩液出口与第四流量调节阀入口相连，第四流量调节阀出口与流量计入口相连，流量计出口与循环泵入口相连，循环泵出口与三通阀第二入口相连；蒸发器和压力表入口相连，压力表出口和真空泵入口相连，真空泵出口与蒸发器相连；其中余热热泵系统包括余热蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置、余热收集器；余热收集器出口与余热蒸发器侧入口相连，余热蒸发器右侧出口和余热收集器入口相连；余热蒸发器顶端出口和压缩机入口相连，压缩机出口和冷凝器顶端入口相连，冷凝器底端出口与节流装置入口相连，节流装置出口与余热蒸发器底端入口相连。
7.余热热泵系统中的循环工质为r134a。
8.所述系统中管道材料均为金属管，管外均敷设保温材料。
9.所述系统中的物料为含盐废水。
10.本发明公开的一种一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统的方法，运行时包括以下过程：在处理前，打开进料泵，第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀、第四流量调节阀、第一截止阀，关闭第二截止阀；打开真空泵，将蒸发器内部抽至真空状态；开始处理时，首先进行逆向蒸发冷却过程：打开冷却塔，热空气被抽吸进入冷却塔；含盐废水被投入进料箱后，打开进料泵，含盐废水经进料泵流入喷淋管，物料通过喷淋管喷洒到填料上，在填料上与热空气区进行换热蒸发，蒸发产生浓度较高的浓溶液；第二步进行太阳能加热过程：逆向蒸发冷却过程中产生的浓度较高的浓溶液经过冷却塔出料口流入三通阀，从三通阀流出后分流，分别经第一流量调节阀、第二流量调节阀和第三流量调节阀进入第一物料管、第二物料管、第三物料管；浓度较高的浓溶液在第一物料管、第二物料管和第三物料管中与太阳能集热器产生的热量对流换热，管中浓溶液吸收太阳能温度升高；第三步进行蒸发器蒸发过程：太阳能加热过程中产生的升温后的浓溶液经止回阀、第一截止阀和含盐废水入口流入蒸发器，在蒸发器内部负压状态下蒸发，蒸发产物包括结晶、冷凝水、蒸汽和浓缩液；蒸发后产生的结晶经结晶出口流入结晶装置中，产生的冷凝水经冷凝水出口流入冷凝水箱；打开三通阀，蒸发后产生的浓缩液依次经过浓缩液出口、第四流量调节阀、流量计、循环泵流入三通阀，在三通阀中浓缩液和浓度较高的浓溶液混合，混合后分流进入第一物料管、第二物料管和第三物料管，重复上述太阳能加热过程和蒸发器蒸发过程；蒸发后产生的蒸汽经蒸汽出口流入气液分离器；
最后进行余热热泵换热过程：打开余热收集器、压缩机，余热收集器中的工质与余热热源换热升温，升温后的工质流入余热蒸发器中；热泵中的循环工质经压缩机压缩后流入冷凝器放热；蒸发器蒸发过程中，气液分离后的蒸汽流入冷凝器中，与冷凝器中的循环工质换热升温，升温后的二次蒸汽经二次蒸汽入口进入蒸发器中作为热源继续蒸发；当所有含盐废水处理完成后，关闭进料泵；当喷淋管不再有含盐废水滴落后，关闭冷却塔；当含盐废水入口不再有含盐废水流入时，关闭循环泵、三通阀，关闭第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀；当蒸汽出口不再有蒸汽流出时，关闭真空泵、余热收集器、压缩机；打开第二截止阀，放出冷凝水箱中的冷凝水，打开气液分离器放掉其中分离出来的液体，回收结晶装置中结晶和浓缩液出口中剩余浓溶液，关闭系统。
11.通过调节第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀，一一对应分别控制进入第一物料管、第二物料管和第三物料管内的物料流量。
附图说明
12.附图1为本发明的原理图；附图1中的标号名称：1.进料箱、2-1.进料泵、2-2.循环泵、3-1.冷却塔、3-2.填料、3-3.热空气区、3-4.喷淋管、3-5.冷却塔出料口、4-1.止回阀、4-2.太阳能集热器、4-3.第一物料管、4-4.第二物料管、4-5.第三物料管、4-6.三通阀、5-1.第一流量调节阀、5-2.第二流量调节阀、5-3.第三流量调节阀、5-4.第四流量调节阀、6.流量计、7-1.蒸发器、7-2.含盐废水入口、7-3.二次蒸汽入口、7-4.蒸汽出口、7-5.结晶出口、7-6.冷凝水出口、7-7.浓缩液出口、7-8.压力表、7-9.真空泵、8.结晶装置、9.冷凝水箱、10.气液分离器、11-1.冷凝器、11-2.压缩机、11-3.余热蒸发器、11-4.节流装置、12.余热收集器、13-1.第一截止阀、13-2.第二截止阀。
具体实施方式
13.如图1所示，一种基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统主要包括进料箱1、进料泵2-1、冷却塔3-1、填料3-2、热空气区3-3、喷淋管3-4、冷却塔出料口3-5、止回阀4-1、太阳能集热器4-2、第一物料管4-3、第二物料管4-4、第三物料管4-5、三通阀4-6、第一流量调节阀5-1、第二流量调节阀5-2、第三流量调节阀5-3、蒸发器7-1、蒸汽出口7-4、二次蒸汽入口7-3、含盐废水入口7-2、结晶出口7-5、冷凝水出口7-6、浓缩液出口7-7、压力表7-8、真空泵7-9、第四流量调节阀5-4、流量计6、循环泵2-2、第一截止阀13-1、第二截止阀13-2、结晶装置8、冷凝水箱9、气液分离器10、余热蒸发器11-3、压缩机11-2、冷凝器11-1、节流装置11-4、余热收集器12。
14.以硫酸钠高盐废水的处理为实施例。系统首次运行时，在运行前，打开第一流量调节阀5-1、第二流量调节阀5-2、第三流量调节阀5-3、第四流量调节阀5-4、第一截止阀13-1，关闭第二截止阀13-2、三通阀4-6支管；打开真空泵7-9，将蒸发器7-1内部抽至真空状态，根据硫酸钠高盐废水的设定蒸发温度调整真空度后，打开进料泵2-1，此时系统开始处理进料。
15.首先进行逆向蒸发冷却过程：进料被进料泵2-1抽吸至冷却塔3-1内的喷淋管3-4中，打开冷却塔3-1，此时热空气区3-3由冷却塔3-1底部抽吸热空气进入冷却塔3-1内部，喷
淋管3-4中的硫酸钠含盐废水喷淋洒在填料3-2表面，热空气区3-3在填料3-2处蒸发硫酸钠含盐废水，含盐废水被蒸发为浓度较高的浓溶液，经过三通阀4-6主管分为三条支流。
16.第二步进行太阳能加热过程：逆向蒸发冷却过程产生的浓度较高的浓溶液流出冷却塔出料口3-5后，分为三条支流分别流入第一流量调节阀5-1、第二流量调节阀5-2和第三流量调节阀5-3，通过控制第一流量调节阀5-1、第二流量调节阀5-2和第三流量调节阀5-3，一一对应调节进入第一物料管4-3、第二物料管4-4和第三物料管4-5内的物料流量；第一物料管4-3、第二物料管4-4和第三物料管4-5均与太阳能集热器4-2表面紧密连接，浓度较高的浓溶液在物料管内与太阳能集热器4-2中吸收的热量换热后升温，升高温度后被送入蒸发器7-1。
17.第三步进行蒸发器蒸发过程：在系统开始运行前利用真空泵7-9已经将蒸发器7-1内部抽至负压状态，蒸发器7-1内部达到浓溶液的沸点，因此被太阳能热量加热后的浓溶液能够直接蒸发，蒸发后产生蒸汽、不能完全蒸发的浓缩液和结晶，结晶直接进入结晶装置8。
18.蒸发后产生的浓缩液经过第四流量调节阀5-4和流量计6进入循环泵2-2，经循环泵2-2抽吸进入三通阀4-6支管，此时打开三通阀4-6支管，浓缩液与逆向蒸发冷却过程中产生的浓溶液混合在三通阀4-6中混合，混合液分流进入第一物料管4-3、第二物料管4-4和第三物料管4-5，重复太阳能加热过程和蒸发器蒸发过程，直至将浓缩液蒸发完全。
19.蒸发后产生的蒸汽流入气液分离器10，气液分离后的蒸汽送入冷凝器11-1中。
20.最后进行余热热泵换热过程：打开余热收集器12、压缩机11-2，余热收集器12中的工质与余热热源换热升温，升温后的工质流入余热蒸发器11-3中。热泵中的循环工质经压缩机11-2压缩为高温高压气体，此时，前述蒸发器蒸发过程中气液分离后的蒸汽流入冷凝器11-1中，与高温高压气体发生对流换热，蒸汽吸热温度升高，升温后的蒸汽再次被送入蒸发器7-1中，作为热源继续蒸发来自第一物料管4-3、第二物料管4-4和第三物料管4-5中的含盐废水。
21.热泵中的循环工质以高温高压气态在冷凝器11-1与蒸汽换热完成后流入节流装置11-4降压，降压后的循环工质流入余热蒸发器11-3中，与余热收集器11-3中的高温工质换热升温，升温后的高温循环工质流入压缩机11-2压缩为高温高压状态流入冷凝器11-1中，在冷凝器11-1中再次与蒸发产生的蒸汽换热，重复上述热泵循环过程。
22.当所有硫酸钠高盐废水处理完成后，关闭进料泵2-1；当喷淋管3-4不再有含盐废水滴落后，关闭冷却塔3-1，此时热空气不再被抽吸，逆向蒸发冷却停止；当含盐废水入口7-2不再有含盐废水流入时，关闭循环泵2-2、三通阀4-6，关闭第一截止阀5-1、第二截止阀5-2、第三截止阀5-3、第四截止阀5-4；当蒸汽出口7-4不再有蒸汽流出时，关闭真空泵7-9、余热收集器12、压缩机11-2；打开第二截止阀13-2，放出冷凝水箱9中的冷凝水，打开气液分离器10放掉其中分离出来的液体，回收结晶装置8中的结晶和浓缩液出口7-7中的剩余浓溶液，关闭系统。
23.该基于太阳能和自然蒸发的含盐废水处理系统，利用热空气预先蒸发含盐废水为浓溶液，减少后续蒸发器蒸发所需热量；利用清洁能源太阳能与含盐废水换热升温，升温后的含盐废水进入负压蒸发器直接蒸发，减少生蒸汽等高温热能的消耗；对于蒸发产生的蒸汽，利用余热热泵提升蒸汽温度并作为热源继续送入蒸发器中蒸发含盐废水，减少压缩机的功耗；系统整体上减少了生蒸汽和电能的消耗，降低运行过程的碳排放，实现含盐废水处
理过程的低碳排放。