循环列管大气蒸发器的制作方法

本发明涉及工业污废水处理领域，特别涉及蒸发器技术。

背景技术：

蒸发器或冷却塔是污废水处理常用到的设备。现有技术常使用的蒸发器或冷却塔是通过低晗值的空气进入塔内，与温度较高的处理水流进行热交换后，高晗值的热风从顶部抽出，达到降温处理水水温的目的。因此从结构设置上现有蒸发器或冷却塔的风机的功率和风速要求都不会很大，风机的作用主要是抽排蒸发器内部因热交换产生的蒸汽，蒸发效率并不高。而且现有蒸发器或冷却塔主要单纯靠加热加压提供的能量实现水的蒸发，能耗较大，成本较高。这对于在对高盐废水、页岩气开采压裂返排废液等高含盐量、高稳定性、高粘度的废水处理中，常规的蒸发器作为整个处理设备重要的一环，难以达到高效、低成本减量处理的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种循环列管大气蒸发器，解决现有技术能耗较大、成本较高，对高盐废水、页岩气开采压裂返排废液等高含盐量、高稳定性、高粘度的废水难以达到高效、低成本减量处理问题。

本发明的技术方案如下：

一种循环列管大气蒸发器，其为方型或圆形塔状结构，蒸发器的塔内设置风机、收水器、布水器、循环列管加热器、填料区和循环集水箱，塔外设置抽水泵。

风机为轴流式大功率风机，设在蒸发器顶部出口处，风机型号及功率由所需蒸发风量确定，但风机的功率必须保证蒸发器出口风速达到12-20m/s。

布水器设在蒸发器上部，由呈树枝状布置的配水干管和支管及喷嘴组成，喷嘴采用大流量雾化喷嘴，补水管直径和喷嘴规格根据设计水量选用，喷嘴数量及布置方式由布水流量和单个喷嘴喷水流量确定。

收水器安装在布水器与风机之间，为耐腐蚀材质，制作为波浪形。

循环列管加热器安装在蒸发器中部的填料区中，采用带翅片防腐且耐高温、高压不锈钢或紫铜管制作，采用外形为圆盘形或“u”型盘管结构，确保大流量的流体强压循环，循环列管加热器与塔外热源联通，循环列管的长度及层数由所需换热量计算得到。填料区的填料采用耐高温的防腐材料制成，蜂窝状结构，其充填于循环列管加热器盘管间，包围住循环列管加热器。

蒸发器下部设置进风口，底部设循环集水箱。

上述结构外部采用防腐材料封装，形成循环列管大气蒸发器机组外壳。

进一步，所述进风口处还连接有进风筒，进风筒中安装有空气干烧管，进风筒与蒸发器进风口密封连接且为可拆卸结构。

进一步，蒸发器的进风口处和进风筒的进风口处设置有进风格栅。

本发明的特点如下：

本发明的大气蒸发器与现有技术常使用的蒸发器或冷却塔在结构上不同，在原理上也有本质区别。通常的蒸发器或冷却塔是通过低晗值的空气进入塔内，与温度较高的处理水流进行热交换后，高晗值的热风从顶部抽出，达到降温处理水水温的目的；而本发明的大气蒸发器是通过干燥的较高焓值的空气在大功率轴流风机作用下进入塔内，气体在塔内将热量传递给废水，提供废水蒸发所需的部分热量，之后低焓值高湿度的空气在被风机抽出，以此提高循环废水的蒸发量，达到浓缩的目的。循环列管大气蒸发器与传统蒸发器相比能大幅降低加热能耗。与用生物法进行后续处理相比，本方法的优点为处理设施较小、处理工艺简单、运行成本降低，对进水水质适用范围较广。用生物法处理时，高含盐量的废液可能会对微生物的生长有抑制作用，影响处理效果，而采用蒸发浓缩法则能避免此问题。且进行蒸发处理一方面能将废水进行减量化，有效降低处理成本，大幅度减少废水外运量；另一方面，将页岩气压裂废液浓缩，有利于后续外运处理时将废液中的金属盐类回收再利用，能有效解决页岩气压裂废液中含盐量较高的问题，将废液中的金属盐类资源化。

本大气蒸发器具有几个明显的结构创新，具体分析如下：

(1)本蒸发器必须要采用大功率风机，即要保证蒸发器出口风速达到12-20m/s，这是因为本蒸发器要达到的目的是：废水蒸发所需要的能量不是全部由加热列管提供，而是设计加热列管仅提供一部分蒸发所需热量，另一部分由大功率风机抽入的大量焓值较高的空气提供。即在大气蒸发器中，废液蒸发的所需的热量一部分由空气传热提供，一部分由循环列管加热提供。由于液体蒸发速度与液体表面空气流速有关，水膜液面空气的流动速度越大，越有利于加快蒸发速率，因此通过大功率风机，利用其风速高、气体通量大的优势，加强空气流通，提高水面空气的流动速度，使逸出的水蒸气分子迅速扩散，维持蒸发扩散动力为常数，不使其降低，可提高蒸发器内气体流量与气体流速，从而提高蒸发效率，这样能节省加热能耗，总能耗较全由加热列管加热提供废水蒸发所需热量的能耗大幅降低，这实质是本蒸发器原理上的创新。

(2)为了提高大功率风机抽入的空气的焓值，蒸发器的进风先会经过蒸发器一侧设置的进风筒，进风筒内设置有空气干烧管，对进入蒸发器内的空气进行加热，进一步提高空气的焓值且使进风保持干燥，从而有利于蒸发器内部的蒸发效率提高。

(3)本蒸发器的循环列管布置在填料区中，而不是分开布置，当废水淋入填料区时会获得一个较长的滞留时间，这个时间能同时被循环加热列管利用，加长对废水的加热时间，同时填料区表面积大，废水形成水膜后传热面积增大，能提高加热效率。

(4)本蒸发器对通过循环水泵提升循环喷淋的废水，不先进行额外加热来提高蒸发效率，是因为如果废水先被加热，废水温度会比空气温度高很多，水的热量会传递给温度较低的空气，造成热量损失，而废水蒸发过程是一个吸热过程，这种情况出现会不利于废水的蒸发，本蒸发器的废水循环是采用循环泵自然循环，同时将蒸汽加热列管放入填料区中，不会造成空气与废水之间的温差，从而减少不必要的热损失。另外，大气蒸发器设置有带有空气干烧管的进风筒，能对进入蒸发器的空气先一步进行加热，提高进入蒸发器空气的焓值，进入的空气将热量传递给废水会更有利于废水蒸发吸热。

(5)本大气蒸发器内采用了蜂窝状结构且耐高温防腐材料的填料，使用寿命长，蜂窝状结构填料比表面积大，一方面能有效增加废水与空气间的接触面积，使水分子逸出机会增多，另一方面，增大了换热面积，加快了蒸发速度。

将本发明用在高盐废水、页岩气开采压裂返排废液的处理系统中，作为系统的蒸发浓缩设备，对物化处理后废水进行低温蒸发浓缩，可以大幅度减少废水外运量，能有效降低处理成本。在经济和技术上有效解决我国页岩气开采过程中压裂返排液处理的难题。

附图说明

图1是本发明一种具体结构的循环列管大气蒸发器的结构示意图。

图2是本发明另一种具体结构的循环列管大气蒸发器的结构示意图。

图中，901—轴流风机；902—外壳；903—收水器；904—布水器；905—喷嘴；906—循环列管换热器；907—填料；908—进风格栅；909—流量计；910—循环水泵；911—循环给水箱；912—自动补水器；913—排水口；914—底座；915—压力表；916—观察窗；917—进风筒支架；918—进风筒；919—空气干烧管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述

参见图1，循环列管大气蒸发器9的外壳902为方柱型塔状结构，塔内设置轴流风机901、收水器903、布水器904、循环列管加热器906、填料床907和循环集水箱911，塔外设置抽水泵910。

其中，轴流风机901设在蒸发器顶部，为轴流式大功率风机，风机功率需要保证蒸发器出口风速达到12-20m/s。

布水器904设在蒸发器上部，由呈树枝状布置的配水干管和支管及喷嘴组成，喷嘴采用大流量雾化喷嘴，补水管直径和喷嘴规格根据设计水量选用，喷嘴数量及布置方式由布水流量和单个喷嘴喷水流量确定。

收水器903安装在布水器904与轴流风机901之间，为耐腐蚀材质，制作为波浪形。

循环列管加热器906安装在蒸发器中部，采用带翅片防腐且耐高温、高压不锈钢或紫铜管制作，外形为“u”型盘管结构，循环列管的长度及层数由所需换热量计算得到，确保大流量的流体强压循环，循环列管加热器与塔外的热源蒸汽锅炉10联通，热源来自于蒸汽锅炉。

填料床907采用耐高温的防腐材料制成，蜂窝状结构，其充填于循环列管加热器的盘管间。蒸发填料床有较宽通道，并且整个蒸发过程中达不到结晶条件，不会造成填料床堵塞，易于拆卸、冲洗和日常维护。

进风格栅908设置在蒸发器下部设置，循环集水箱911位于蒸发器底部。

以上结构外部采用防腐材料封装，形成循环列管大气蒸发器机组外壳902。

图2为循环列管大气蒸发器9的另一种结构形式，其在图2的基础上，增加了进风筒918，目的是提高抽入塔内的空气的温度。进风筒918与蒸发器于蒸发器下部进口处连通，进风筒外壳与蒸发器外壳连接处密封但可拆卸，非连接一侧用防腐材料密封，进风筒由支架917支撑，进风筒顶部同时需安装进风格栅，进风筒中安装空气干烧管919。

废水在循环列管大气蒸发器9的浓缩蒸发处理步骤如下：

经预处理后的高盐废水进入大气蒸发器时，废水先经循环水泵910泵入循环加热列管906上方的喷淋系统905，通过布水器904向塔内均匀地喷入适量的充分雾化的废水，雾化废水在重力作用下流经加热循环列管906，加热循环列管间充填有蜂窝状填料907，形成一层薄膜状水流，以增加换热面积和换热时间，提高换热效率。喷淋废水通过与大气及加热循环列管充分换热后迅速汽化成水蒸气进入气相，汽化后的水蒸气被大功率风机901带走，从而实现废水的蒸发浓缩。其余的废水回落到蒸发器底部的循环集水箱911，再由循环水泵910送入喷淋系统905循环使用。空气中夹带的水滴被收水器903阻挡，回落入循环列管加热器中经在加热蒸发。循环加热列管中被通入高温蒸气，高温蒸气由盘管上部蒸汽入口进入循环列管，与循环列管管外的喷淋废水和空气进行热交换，由气态逐渐被冷凝为液态，从下部蒸汽出口流出，回流入软化水箱。同时，干燥的温度较高空气在风机的作用下由底部入风格栅908进入塔内(图1)，或者进入进风筒918(图2)，经空气干烧管919加热后进入蒸发器的填料区，废水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度温度较低的空气从顶部抽出，废液蒸发的所需的热量一部分由空气传热提供，一部分由循环列管加热提供。废液其余水滴入底部循环集水箱内。滴入底部循环集水箱的废水经循环水泵再抽入喷淋系统，将水循环起来，循环喷洒废水，提高蒸发效率。蒸发器中，设计处理水量与循环水量的比例为1:10，蒸发效率为50％。

本蒸发器所采用的大功率风机与普通蒸发器所采用的风机相比，区别在于：普通蒸发器的风机作用只有一个引流作用，仅仅是将塔内的蒸汽通过风机抽吸引出蒸发器；而本蒸发器采用大功率风机，能提高蒸发器内气体流量与气体流速，蒸发速度与液面表面空气流速有关，空气流速越大，越有利于蒸发；且本蒸发器原理上也与传统蒸发器有所区别，传统蒸发器蒸发所需要的能量基本全部由加热列管提供，而本蒸发器蒸发所需能量一部分由加热管提供，另一部分由焓值较高的空气提供，能节省加热能耗，故也需要采用功率更大的风机以提供更大的气体流量，但在总能耗上较普通蒸发器大幅降低；蒸发器风机功率需根据蒸发器填料区高度，设计蒸发量大小确定，视实际情况需保证蒸发器出口风速约在12-20m/s，出口风速远大于普通蒸发器工作时出口处风速。在能耗上，普通蒸发器每蒸发1kg水所实际需要的蒸汽量约在1.2-1.6kg，而本蒸发器每蒸发1kg水所实际需要的蒸汽量约在0.6-0.8kg，本蒸发器总体能耗约为普通蒸发器总体能耗的50％-60％，具体效果视现场环境温度、湿度变化会有一定波动。

采用本发明用在对四川省某页岩气开采井压裂返排废液进行处理，处理过程中各阶段水质情况见表1。

表1压裂返排液各阶段处理后水质分析表

原水cod为565mg/l，硬度3710mg/l，总溶解性固体1.52×10⁴g/l，氯化物1.72×10⁴mg/l，设计处理量为5m³/h。混凝预处理和带式压滤机部分，混凝池水力停留时间为15min，投加聚合氯化铝为3.75kg/h，na2co3投加量为18.55kg/h。fenton氧化处理部分，feso4·7h2o投加量为1.25kg/h，h2o2投加量为3.14kg/h，h2so4投加量为0.25g/h，naoh投加量为0.54kg/h，氧化反应时间为1.25h，斜板沉淀池停留时间为3h，处理后出水水质为cod为72mg/l，硬度31.32mg/l，总溶解性固体为16.06g/l。循环列管蒸发器进行蒸发浓缩处理部分，废液处理水量与循环水量的比例为1:10，设计蒸发量为50％。