浓缩器系统、处理废水的相关系统及其相关方法

浓缩器系统、处理废水的相关系统及其相关方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2010年7月29日、申请号为201080034380. 0且发明名 称为"紧凑型废水浓缩器和污染物洗涤器"的发明专利申请（对应的国际申请为PCT/ US2010/043648)的分案申请。
[0002] 本申请为于2010年2月12日提交的美国专利申请No. 12/705,462的部分继续申 请，该美国申请为于2009年9月9日提交的美国专利申请No. 12/530, 484的部分继续申请， 后述美国申请为于2008年3月12日提交的国际（PCT)专利申请NO.PCT/US08/56702的美 国国家阶段申请并且要求于2007年3月13日提交的美国临时专利申请No. 60/906, 743的 优先权利益。本申请还要求于2009年2月12日提交的美国临时专利申请No. 61/152,248 以及于2009年7月29日提交的美国临时专利申请No. 61/229, 650的优先权利益。因此， 申请12/530, 484、60/906, 743、61/152, 248和61/229, 650中的每个申请的全部公开内容通 过引用明确地合并到本文中。
技术领域
[0003] 本申请一般涉及液体浓缩器，更具体地涉及能够易于与废热源连接并且利用废热 源的紧凑型、便携式、成本效益高的废水浓缩器。
【背景技术】
[0004] 挥发性物质的浓缩可以为各种废水流的处理或预处理的有效形式并且可以在各 种类型的商业处理系统内实施。在高浓缩水平下，许多废水流可被还原成包含高溶解和悬 浮水平的固体的浆液形式的残留材料。这些经过浓缩的残留物可易于通过常规技术进行固 化以便在垃圾处理场内进行处置，或者根据应用可输送到下游处理以便于在最终处置之前 进行进一步的处理。浓缩废水能大幅度降低货运成本以及所需的存储容量，并且可有益于 从废水中回收材料的下游处理。
[0005] 由于产生废水流的大量工业处理，使得工业废水流的特性非常广泛。除了通过在 工业内受控条件下的设计所产生的废水之外，由于事故和自然灾害引起的非受控事件频繁 地产生废水。用于管理废水的技术包括：直接排放到污水处理场；排放到污水处理场之后 的预处理；回收有价值成分的厂区内或厂区外的处理；以及仅制备用于最终处置的废水的 厂区内或厂区外的处理。在废水源为非受控事件的情况下，必须包括具有这些任选项中的 任一项的有效的收容和回收技术。
[0006] 废水浓缩处理的有效性的重要措施是与进入处理的废水的量成比例地生成残留 物的量。特别地，残留物量与馈给量的低比率（高浓缩水平）是最期望的。在废水含有溶 解和/或悬浮的非挥发性物质的情况下，可在有赖于挥发性物质的蒸发的特定浓缩处理中 实现的量减小在很大程度上受到所选择的将热传递到处理流体的方法的限制。
[0007] 通过水和其它挥发性物质的蒸发来影响浓度的常规处理可分类为直接式或间接 式热传递系统，这取决于将热传递到进行浓缩的液体（处理流体）所采用的方法。间接式 热传递装置通常包括收容处理流体的夹套式容器、或者浸入处理流体内的板、卡口式管或 线圈型热交换器。诸如蒸汽或炙热油等介质通过夹套或热交换器以便传递蒸发所需的热。 直接式热传递装置实现如下处理：加热介质与处理流体形成直接接触，这种接触发生在例 如沉浸式燃烧气体系统中。
[0008] 有赖于诸如夹套、板、卡口式管或线圈等热交换器的间接式热传递系统通常受到 在与处理流体形成直接接触的热交换器的表面上固体的沉积物集结的限制。而且，这种系 统的设计由于将热能传递到诸如蒸汽锅炉等加热介质或诸如热油加热器等用于加热其它 热传递流体的装置的单独处理的需要而变得复杂化。这种设计导致依赖于两个间接式热传 递系统来支撑浓缩处理。在经受处理的同时在热交换器上生成沉积物的馈给流被称为污 垢形成流体。在馈给流含有溶解度随着温度升高而降低的诸如碳酸盐等一些化合物的情况 下，由于在热交换器的表面处的高温，通称为锅炉垢的沉积物甚至在相对低浓度下形成。此 外，当诸如氯化钠等在高温下具有高溶解度的化合物存在于废水原料中时，由于在处理流 体达到高浓度时这些化合物将沉淀而脱离溶液，这些化合物也形成沉积物。这些沉积物使 得热交换表面清洁频繁地循环以保持处理效率成为必然，这些沉积物可以为随着废水原料 被运载到处理中的悬浮固体并沉淀而脱离处理流体的固体的任意组合。固体在热交换表面 上的沉积的不利效果限制了在这些处理必须停止以便进行周期性清洁之前间接热传递处 理可以运转的时间的长度。因此，这些不利效果对于可被有效管理、尤其当废水的范围包括 污垢形成流体时的废水的范围施加了实际的限制。因此，有赖于间接式热传递机构的处理 通常不适于浓缩各种废水流并且实现残留物与馈给量的低比率。
[0009] 通过引用并入本文的美国专利No. 5, 342, 482公开了为沉浸式气体处理形式的特 殊类型的直接式热传递浓缩器，其中，燃烧气体被生成并且通过入口管输送到沉浸在处理 流体内的传播单元。传播单元包括从入口管向外径向延伸的多个间隔开的气体输送管，气 体输送管中的每个具有在气体输送管的表面上的各个位置处间隔开的小孔以便遍及保持 在处理容器内的液体的截面区域尽可能均匀地传播作为小气泡的燃烧气体。根据在现有技 术内的当前理解，该设计在大的界面表面区域上方提供了液体和炙热气体之间的期望的紧 密接触。在该处理中，目的在于，热传递和质量传递二者均发生于由于气相在处理流体中的 传播而形成的动态且连续更新的界面表面区域处，而不是在会发生固体颗粒沉积的固体热 交换表面上。因此，这种沉浸式气体浓缩器处理提供了优于常规的间接式热传递处理的显 著优势。然而，用于将热气体分布到美国专利No. 5, 342, 482的装置内的处理流体中的气体 输送管中的小孔受到由污垢流体形成的固体的沉积物的阻塞。因此，将热气体输送到处理 流体中的入口管遭遇到固体沉积物的集结。
[0010] 此外，由于需要在连续的处理液体相中传播大量的气体，美国专利No. 5, 342, 482 中的收容容器通常需要大的截面积。这种收容容器以及安装在这些收容容器内的任何附属 物的内表面统称为处理的"浸湿表面"。这些浸湿表面必须承受在系统运行的同时浓度变化 的热处理流体。对于被设计为处理各种范围的废水流的系统，构造浸湿表面的材料提出了 与必须与设备的成本和一定时间内维护/更换的成本相称的抗腐蚀和耐高温相关的关键 设计决策。一般来说，通过选择高级金属合金或诸如用于制造玻璃纤维容器时使用的一些 工程塑料来增强浸湿表面的耐用性和低的维护/更换成本。然而，采用间接式或直接式加 热系统的常规浓缩处理也需要用于将热传递到容器内的流体的诸如蒸汽、热传递油或气体 等炙热介质的装置。尽管各种不同的高级合金提供了与抗腐蚀和耐高温有关的解决办法， 容器和由容器制作的附属物的成本通常非常高。此外，尽管工程塑料可直接用于形成收容 容器或用作浸湿表面上的涂层，耐高温通常是多种工程塑料的限制因素。例如，用于在美国 专利No. 5, 342, 482中使用的容器内的热气体的入口管的高表面温度施加了这样的限制。 因此，用于这些处理的容器和其它设备通常在制造和维护方面非常昂贵。
[0011] 而且，在所有这些系统中，需要热源来进行浓缩或蒸发处理。已经开发出了多种系 统来使用由各种源产生的热，诸如在发动机中、燃烧室中、气体浓缩处理中等产生的热，来 作为废水处理的热源。在美国专利No. 7, 214, 290中公开了这种系统的一个实施例：通过沉 浸式燃烧气体蒸发器内的燃烧垃圾处理气体产生热，这些热用于处理垃圾处理场所处的沥 滤液。美国专利No. 7, 416, 172公开了这样一种沉浸式气体蒸发器：废热可提供给气体蒸发 器的入口以便用于浓缩或蒸发液体。尽管废热通常被视为在废水处理操作中可有效利用的 廉价能源，在很多情况下废热必须从废热源运输很远的距离到达要执行蒸发或浓缩处理的 地点。例如，在许多情况下，垃圾处理场的运转将具有发电机，发电机使用以垃圾处理气体 作为燃烧燃料而运转的一个或多个内燃机。通常在容纳发电机的建筑物的顶部通过消音器 或排气烟肉与大气连通的这些发电机或发动机的废气为废热的源。然而，为了收集和使用 这种废热，大量的昂贵管道和通风管必须与排气烟囱耦合以便将废热传递到处理系统的地 点，处理系统的地点通常在远离容纳发电机的建筑物的地面水平处。重要的是，能够承受排 气烟囱内的废气的高温（例如，950华氏温度）的管道、管材和控制装置（例如，节气阀和截 流阀）非常昂贵并且必须绝缘以在运输过程中保持废气内的热。用于这些用途的可接受的 绝缘材料通常由于诸如易碎性、随时间进行而腐蚀的趋势以及热循环的灵敏性等为设计增 加复杂度的各种特性而易于故障。绝缘还增加了管道、管材和控制装置的重量，这也为结构 支撑要求增加了成本。

【发明内容】

[0012] 本文公开的紧凑型液体浓缩装置可易于与诸如垃圾处理气体火炬或燃烧发动机 排气烟肉等废热源连接，并且利用这种废热来执行直接热传递浓缩处理，而无需大且昂贵 的收容容器且无需使用大量昂贵的耐高温材料。紧凑型液体浓缩器包括气体入口、气体出 口和连接所述气体入口和所述气体出口的混合或流过道，其中，所述流过道包括使通过流 过道的气体加速的缩窄部。位于气体入口和流过道的缩窄部之间的液体入口在缩窄部之前 的点处将液体喷射到气流中，以使气液混合物在流过道内充分混合，使得液体的部分被蒸 发或浓缩。与气体出口连接的位于缩窄部下游的除雾器或流体洗涤器去除来自气流的曳出 液滴并且通过再循环回路将去除的液体再循环到液体入口。待浓缩的新鲜液体也以足以抵 消在流过道中蒸发的液体以及从处理中取回的任何浓缩液体的组合总量的速率导入再循 环回路中。
[0013] 本文描述的紧凑型液体浓缩器包括运行以高成本效益浓缩具有宽范围特性的废 水流的多种属性。浓缩器耐受宽范围馈给特性上的腐蚀效应，具有合理的制造和运行成本， 能够在高浓度水平下连续地运行，并且有效地直接利用来自各种源的热能。而且，浓缩器足 够紧凑以便携带，因此可易于运输到通过非受控事件产生废水的地点并且可安装为与废热 源紧相邻。因此，本文公开的浓缩器为成本效益好、可靠的且耐用的装置，其运行以便连续 地浓缩宽范围的不同类型的废水流，并免除了在导致堵塞和沉积物集结的常规的间接式热 传递系统中找到的常规固体表面热交换器的使用。
【附图说明】
[0014] 图1为紧凑型液体浓缩器的概括示意图；
[0015] 图2描述了安装到托板或滑架上以便易于在卡车上运输的图1中的液体浓缩器的 实施方案；
[0016] 图3为图1中的实施浓缩处理的紧凑型液体浓缩器的立体图，紧凑型液体浓缩器 与通过垃圾处理火炬生成的废热的源连接；
[0017] 图4为图3中的紧凑型液体浓缩器的热传递部的立体图；
[0018] 图5为图3的紧凑型液体浓缩器的蒸发器/浓缩器部的前视立体图；
[0019] 图6为图3的紧凑型液体浓缩器的部分上的易开进出门的立体图；
[0020] 图7为处于打开位置的图6中的易开进出门中的一个的立体图；
[0021] 图8为在图6和图7的进出门上使用的易开闩锁机构的立体图；
[0022] 图9为可以在图3的紧凑型液体浓缩器中使用以控制紧凑型液体浓缩器的各个组 成零件的操作的控制系统的示意图；
[0023] 图10为与作为废热源的燃烧发动机烟囱附接的图3中的紧凑型液体浓缩器的 图；
[0024] 图11为紧凑型液体浓缩器的第二实施方案的概括示意图；
[0025] 图12为图11中的紧凑型液体浓缩器的俯视图；
[0026] 图13为紧凑型液体浓缩器的第三实施方案的示意图，第三实施方案为分布式液 体浓缩器；
[0027] 图14为图13中的分布式液体浓缩器的液体浓缩部的侧面正视截面图；
[0028] 图15为图14的液体浓缩部的俯视平面图；以及
[0029] 图16为图13中的分布式液体浓缩器的淬火部和文氏管部的近距离侧视图。
[0030] 图17为图1中实现浓缩处理的紧凑型液体浓缩器的可选实施方案的立体图，其被 构造为从垃圾处理沥滤液中去除氨。
【具体实施方式】
[0031] 图1描述了液体浓缩器10的概括示意图，液体浓缩器10包括气体入口 20、气体 出口 22和将气体入口 20与气体出口 22连接的流过道24。流过道24包括缩窄部26,缩窄 部26加速气流过流过道24,在该位置处或该位置附近在流过道24内形成紊流。在该实施 方案中，缩窄部26可通过文氏管器件形成。液体入口 30将待浓缩液体（经由蒸汽）喷射 到流过道24中的液体浓缩室内缩窄部26上游的点处，并且喷射出的液体与流过道24内的 气流接合。液体入口 30可以包括用于将液体喷洒到流过道24中的一个或多个可更换喷嘴 31。无论是否装有喷嘴31，入口 30都可在气体移动通过流过道24时沿着与气流垂直或平 行的任意方向导入液体。挡板33还可位于液体入口 30的附近以使从液体入口 30导入的 液体撞击到挡板上并且以小滴形式扩散到流过道中。
[0032] 在气体和液体流经缩窄部26时，文氏管原理形成了在入口 30的位置处以及之后 在流过道24中将气体和液体充分混合的加速紊流。这种通过缩窄部26的加速在气流和液 滴之间以及液滴和缩窄部26的壁之间形成了剪力，使得形成了夹带在气体中的极微细的 液滴，从而增大了液滴和气体之间的界面表面区域并且实现了气体和液滴之间的快速的质 量传递以及热传递。液体作为极微细的滴离开缩窄部26,而无论流入缩窄部26的液体的 几何形状如何（例如，液体可能作为液体片流入缩窄部26中）。由于紊流混合和剪力的作 用，液体的部分快速蒸发并且变为气流的部分。在气液混合物移动通过缩窄部26时，可通 过诸如文丘里板32等可调节流限制件来改变气/液混合物的方向和/或速率，可调节流限 制件通常用于在流过道24中形成文丘里板32的上游和下游的大的压差。文丘里板32可 被调节以控制缩窄部26的尺寸和/或形状并且可由耐腐蚀材料制作而成，耐腐蚀材料包括 诸如在商标名Hastelloy'InconelK和Mone广下制造的高合金金属。
[0033] 在离开缩窄部26之后，气液混合物通过与气体出口 22耦合的除雾器34 (也称作 流体洗涤器或雾沫分离器）。除雾器34从气流中去除夹带的液滴。除雾器34包括气流通 道。去除的液体收集在气流通道中的液体收集器或集液器36中，集液器36还可以包括用于 保持去除液体的储器。与集液器36和/或储器流体耦合的栗40使液体移动通过再循环回 路42回到液体入口 30和/或流过道24。通过这种方式，可通过蒸发将液体降低至期望的 浓度。待浓缩的新鲜或新的液体通过液体入口 44输入到再循环回路42中。这些新的液体 还可直接喷射到流过道24中文丘里板32的上游处。输入再循环回路42中的新鲜液体的 速率可等于在气液混合物流过流过道24时液体的蒸发速率加上通过位于集液器40中的储 器中或附近的浓缩流体提取端口 46提取的液体的速率。再循环液体与新鲜液体的比率通 常可以在近似1:1至近似100:1的范围内，通常在近似5:1至近似25:1的范围内。例如， 如果再循环回路42以近似10加仑/分钟来循环流体，则新鲜或新的液体可以近似1加仑 /分钟的速率（即，10:1的比率）导入。当再循环回路42中的液体达到期望浓度时，液体 的部分可通过提取端口 46抽出。再循环回路42用作蒸发处理的缓冲器或减震器，确保在 流过道24中存在足量的湿气，从而防止液体完全蒸发和/或防止形成干燥的颗粒。
[0034] 在通过除雾器34之后，气流通过感应扇50,感应扇50在负压下抽送气体通过流 过道24以及除雾器气流过道。当然，浓缩器10可在通过液体入口 30之前的鼓风机（未示 出）所产生的正压下运行。最后，气体通过气体出口 22通往大气或者引导以进行进一步处 理。
[0035] 浓缩器10可以包括用于处理待浓缩液体的预处理系统52,待浓缩液体可以为废 水原料。例如，空气洗提器可用作去除可产生恶臭或调节为空气污染物的物质的预处理系 统52。在这种情况下，空气洗提器可以为任何常规类型的空气洗提器或者可以为可与空气 洗提器串联使用的本文所述类型的另外的浓缩器。预处理系统52可按期望方式利用任何 期望的加热技术来加热待浓缩液体。另外，循环通过浓缩器10的气体和/或废水原料可在 预加热器54中进行预热。预热可用于提高液体的蒸发速率以及因此提高液体的浓缩速率。 可通过诸如木肩、生物气体、甲烷等可再生燃料或任何其它类型的可再生燃料或可再生燃 料、化石燃料以及废热的任意组合的燃烧来预热气体和/或废水原料。此外，可通过利用在 垃圾处理火炬或烟肉中产生的废热来预热气体和/或废水。而且，来自诸如内燃机的发动 机的废热可用于预热气体和/或废水原料。此外，天然气可用作废热源，天然气可在气流已 经稳定之前天然气井完井之后紧接着或者在气流已在更加稳定状态的天然气井中稳定之 后在未精炼状态下从天然气井口直接供给。任选地，天然气可在火炬中燃烧之前进行精炼。 另外，从浓缩器10的气体出口 22喷射出的气流可在将气体释放到大气中之前被传递到处 理气体的火炬或其它后处理装置56中。
[0036] 本文所述的液体浓缩器10可用于浓缩各种废水流，诸如来自工业的废水、来自自 然灾害（洪水，飓风）的径流水、精炼腐蚀剂、诸如垃圾处理沥滤液的沥滤液、来自天然气井 的完井的回流水、天然气井的运行所生成的水，等等。液体浓缩器10实用、能效高、可靠并 且成本效益高。为了提高这种液体浓缩器的实用性，液体浓缩器10易于改造以便安装到拖 车或可移动滑架上以便有效地处理由于事故或自然灾害引起的废水流或者例行地处理在 空间上分离或遥远的场所处产生的废水。本文所述的液体浓缩器10具有这些期望特性的 全部并且提供了优于常规废水浓缩器的显著优点，尤其当目标是管理各种类型的废水流时 更是如此。
[0037] 而且，浓缩器10可主要由高度耐腐蚀的低成本的材料制成，例如玻璃纤维和