一种海水淡化及浓海水浓缩一体化系统及处理方法与流程

本发明涉及海水淡化与浓缩领域，尤其是一种海水淡化及浓海水浓缩一体化系统及处理方法。

背景技术：

海水淡化技术从储量巨大的海水中提取淡水，已成为解决淡水短缺问题的有效途径。根据分离机理，淡化方法可分为膜法和热蒸馏法两大类。在热蒸馏法中，低温多效蒸发技术因工作温度低(盐水最高温度低于70℃)、腐蚀结垢慢、功耗少、变工况性能好、运行成本低等优点，近年来受到关注。

低温多效蒸发海水淡化系统由一系列“效”组成，海水在各效中被加热汽化。除第一效的加热蒸汽由外界提供外，其余各效的加热蒸汽皆来自上一效海水汽化产生的二次蒸汽。最后一效所产生的二次蒸汽进入冷凝器，其冷凝热的一小部分用于预热进料海水，其余部分随冷却介质(海水)排向环境。由于环境冷却条件的限制，多效蒸发系统的冷凝温度通常在40℃左右，从而有大量低温热能排向环境，造成能源浪费和环境热污染。

与此同时，大量40℃左右的浓海水亦排向环境，该浓海水含有丰富的盐分和锂、溴、硼、碘等物质，且已经过混凝、除浊、杀菌等处理，直接排海是对资源的巨大浪费。倘若将浓海水用作提取各种化学物质的原料液，可以获得良好的收益，例如天津北疆电厂，先从浓海水中提溴，然后排入盐田产盐，之后再提取kcl、mgcl2、mgso4等产品，整体经济效益显著。显然，浓海水的浓度越高，越有利于降低综合利用的难度和成本，但是多效蒸发系统浓海水的浓度通常仅为进料海水的1.5～2倍，亦即盐分浓度低于7％。

中国发明专利cn104528850b公开了一种淡水海盐热能三联产系统，其处理的是海水淡化所产一次浓海水(浓度低于7％)，将深度浓缩和制盐结合了起来，该系统无法直接对海水进行处理。

中国发明专利cn103112985b公开了一种低温多效汽轮压汽蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，该系统是利用发电厂的背压蒸汽进行海水淡化，应用了两种常规海水淡化化技术——多级闪蒸和低温多效蒸发，所获得的是淡水和盐分浓度低于7％的海水，且淡水回收率低于50％。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有的海水淡化方案的不足，提供一种海水淡化及浓海水浓缩一体化系统及处理方法。该系统是集海水淡化与浓海水浓缩于一体的复合能量系统，以环境海水为原料，以0.15mpa以上的蒸汽或125℃以上的热水为驱动热源、附加少量电能，可产出盐分浓度低于0.003％的淡水、盐分浓度高于12％的浓海水，从而在高效生产淡水的同时，为盐类等各种化学物质的制取提供了优质原料液，其能量利用率高、淡水回收率高、易于实现、运行可靠、经济性好。

本发明处理的是环境海水，通过将海水淡化过程和一次浓海水浓缩过程中的能量流和物质流进行有机匹配，构成了高效系统，可以直接对海水进行高效处理

本发明系统将海水淡化和海水淡化后一次浓海水的进一步浓缩有机结合了起来，利用海水淡化系统的低温潜热来浓缩一次浓海水，又利用吸收式子系统来提升浓海水浓缩所产蒸汽的能级，再将之用于海水淡化；所获得的是淡水和盐分浓度高于12％的高浓海水，且淡水回收率高于70％，具有明显的技术进步性。

本发明提出利用多效蒸发系统的低温冷凝热来进一步浓缩浓海水，如此一箭双雕，不仅解决了大量40℃左右的浓海水排向环境带来的热污染，而且将浓海水进一步浓缩，将浓海水的浓度由常规的低于7％提高到12％以上，收到能源利用和海水资源利用双重效益。

低温多效蒸发海水淡化系统的浓海水浓度之所以低于7％，是为了避免高浓度下的结垢和腐蚀。研究表明，易结垢物质主要是caso4和caco3，其中caso4在水中的溶解度在40℃左右时最大，caco3的溶解度和浓海水的腐蚀性则随温度的降低而减小。显然，如果能使浓海水在40℃左右的低温下汽化浓缩，则可减轻结垢和腐蚀的风险，从而获得更高浓度的海水。这与前面利用低温冷凝热浓缩浓海水的技术路线不谋而合。但是，环境温度的限制使得这样的低温汽化浓缩过程难以实现(因为浓缩过程产生的水蒸气需要用环境介质进行冷凝)，因此必须人为建立一个低压环境，以使低温汽化过程能够持续进行。利用溶液吸收技术和固体吸附技术都可以达到这个目的。与固体吸附相比，溶液吸收具有能量密度高、体积小、工作连续等优点，因此本发明考虑利用溶液吸收过程来为浓海水汽化建立低压环境。由于溶液吸收过程与溶液再生过程密不可分，且都与低品位热能的有效利用密切相关，加之低温多效蒸发系统所利用的也是低品位热能，因此从能量流和物质流的优化、匹配出发，有望获得性能优良的海水淡化及浓海水浓缩复合系统。

具体方案如下：

一种海水淡化及浓海水浓缩一体化系统，包括多效蒸发海水淡化子系统、回热浓缩子系统、吸收回热子系统和溶液再生子系统，

其中：所述多效蒸发海水淡化子系统包括n个依次串联的蒸发器，分别为第1效蒸发器、第2效蒸发器、……第i效蒸发器……和第n效蒸发器，从1，2到n构成等差数列，i和n皆为正整数，且2＜i＜n；

所述回热浓缩子系统设有浓缩器，所述浓缩器的进料口与第n效蒸发器的一次浓海水出口相连，所述浓缩器的冷凝盘管入口与第n效蒸发器的蒸汽出口相连，使得在所述浓缩器中一次浓海水汽化浓缩、蒸汽放热冷凝，所述浓缩器分别设有浓缩器淡水出口和二次浓海水出口；

所述吸收回热子系统设有第i级吸收器和第ii级吸收器，所述浓缩器的蒸汽空间与所述第i级吸收器和第ii级吸收器相连通，使得所述浓缩器中的蒸汽为所述第i级吸收器和第ii级吸收器中的溶液所吸收并释放出吸收热；所述第i级吸收器的汽化盘管入口与所述浓缩器的淡水出口相连，所述第i级吸收器设有浓溶液进口和中间浓度溶液出口，其中所述中间浓度溶液出口与所述第ii级吸收器相连；所述第i级吸收器的汽化盘管出口连接所述海水淡化子系统，为所述海水淡化子系统提供热量；所述第ii级吸收器设有初始海水入口和稀溶液出口，其中原料海水经所述初始海水入口进入所述第ii级吸收器，经第ii级吸收器预热后的原料海水进入所述多效蒸发海水淡化子系统；

所述溶液再生子系统设有溶液换热器和发生器，其中所述溶液换热器与所述第ii级吸收器的稀溶液出口相连，所述溶液换热器与所述发生器相连，使得所述第ii级吸收器输出的稀溶液经所述溶液换热器加热后，在所述发生器内沸腾汽化、浓缩再生，得到的浓溶液在所述溶液换热器放热后，经所述第i级吸收器的浓溶液进口进入所述第i级吸收器，从而形成溶液循环回路。

进一步的，所述多效蒸发海水淡化子系统中，第1效蒸发器的加热蒸汽入口与所述溶液再生子系统中去热器的蒸汽出口连通，第i效蒸发器的加热蒸汽入口与所述吸收回热子系统的汽化管道连通，第n效蒸发器的一次浓海水出口与所述回热浓缩子系统的进料入口连通，第n效蒸发器的蒸汽出口与回热浓缩子系统的冷凝管道连通；各效蒸发器的蒸汽冷凝管道出口皆与淡水管道连通，除第n效蒸发器外，其余蒸发器的海水汽化空间和与其相连的下一效蒸发器的冷凝管道入口连通；

任选的，n＝5-10。

进一步的，所述第n效蒸发器的蒸汽通过管道与所述回热浓缩子系统相连，为所述回热浓缩子系统提供热量。

进一步的，所述回热浓缩子系统设有第i级浓缩器和第ii级浓缩器，其中，所述第i级浓缩器与第n效蒸发器的一次浓海水出口相连，所述第i级浓缩器设有第一淡水出口和第一浓缩液出口，其中所述第一浓缩液出口与所述第ii级浓缩器相连，所述第ii级浓缩器分别设有第二淡水出口和第ii级浓缩器二次浓海水出口，所述第一淡水出口和所述第二淡水出口皆与所述第i级吸收器相连；所述第i级浓缩器和所述第ii级浓缩器皆装设吸附挂片。

进一步的，所述溶液再生子系统还设有去热器，所述去热器与所述发生器的蒸汽出口连通，使得所述发生器中的过热蒸汽在所述去热器中通过汽化液态水而转化为饱和蒸汽，并通过管道连接到所述第1效蒸发器的蒸汽入口。

本发明还提供一种海水淡化及浓海水浓缩一体化处理方法，采用所述的海水淡化及浓海水浓缩一体化系统，包括以下操作：

多效蒸发：将原料海水经所述吸收回热子系统预热后，送入所述多效蒸发海水淡化子系统，利用溶液再生子系统和吸收回热子系统提供的蒸汽作为驱动热源，经过蒸发器处理，得到淡水和一次浓海水；

回热浓缩：将得到的一次浓海水送入所述回热浓缩子系统，以所述多效蒸发海水淡化子系统的低压蒸汽为热源，经过浓缩和换热，得到二次浓海水、淡水和蒸汽；

吸收回热：将所述回热浓缩子系统产生的淡水和蒸汽分别送入所述吸收回热子系统，利用吸收液，吸收来自所述回热浓缩子系统的蒸汽携带的热能，同时回收吸收过程所释放的吸收热；

溶液再生：通过所述溶液再生子系统，将所述吸收回热子系统排出的稀溶液浓缩再生为浓溶液，以实现吸收液的循环利用；同时为所述海水淡化子系统提供热能。

进一步的，所述蒸发器是蒸汽冷凝、海水汽化的场所，蒸发器的进料海水管道与所述吸收回热子系统的海水预热管道连通，第1效蒸发器的加热蒸汽入口与所述溶液再生子系统中去热器的蒸汽出口连通，第i效蒸发器的加热蒸汽入口与所述吸收回热子系统的汽化管道连通，第n效蒸发器的一次浓海水出口与所述回热浓缩子系统的进料入口连通，第n效蒸发器的蒸汽出口与回热浓缩子系统的冷凝管道连通。

进一步的，所述回热浓缩子系统设有第i级浓缩器、第ii级浓缩器，用于将所述多效蒸发海水淡化子系统排出的一次浓海水分级浓缩为二次浓海水，同时产出蒸汽；来自第n效蒸发器的低压蒸汽分别在两级浓缩器中放热冷凝，一次浓海水依次通过第i级浓缩器和第ii级浓缩器，并在35℃–40℃下汽化浓缩，以减轻结垢和腐蚀；第i级浓缩器和第ii级浓缩器中装有吸附挂片，用以吸附浓海水中的易成垢物质；两级浓缩器的蒸汽空间均与所述吸收回热子系统连通。

进一步的，所述吸收回热子系统设有第i级吸收器和第ii级吸收器，用于吸收来自第i级浓缩器和第ii级浓缩器的蒸汽，同时回收吸收剂所释放的吸收热；第i级吸收器用于吸收第ii级浓缩器的蒸汽、同时为所述海水淡化子系统生产饱和加热蒸汽，第ii级吸收器用于吸收第i级浓缩器的蒸汽、同时预热原料海水；来自所述溶液再生子系统的吸收剂浓溶液，依次经过第i级吸收器和第ii级吸收器，所得稀溶液又回到所述溶液再生子系统，形成溶液循环回路。

有益效果如下：

1.能量利用率高。本发明通过能量的梯级利用和有效回收来提高能量利用率：取消常规低温多效蒸发系统的冷凝器，代之以浓海水浓缩器，利用低温冷凝热实现浓海水的汽化浓缩；浓海水汽化产生的蒸汽被吸收剂溶液吸收，所释放的吸收热用于预热进料海水，并为海水淡化过程生产加热蒸汽；吸收剂溶液再生过程产生的蒸汽用作海水淡化的加热蒸汽。

2.淡水回收率高，或者说海水浓缩倍数高。本系统可将浓海水的浓度由常规的低于7％提高到12％以上，意味着淡水回收率由常规的低于50％提高到70％以上，相应地，浓缩倍数由低于2提高到3.4以上。同时由于所有的淡水都通过蒸馏法获取，水质优良。

3.装置结垢和腐蚀慢。为了减缓高浓度海水的结垢和腐蚀，本发明采取了以下措施：使浓海水在低温(35℃–40℃)下汽化，以减小caco3的结垢趋势和浓海水的腐蚀性，同时由于caso4在此温度区间溶解度最大，因此其结垢趋势亦减小；在浓缩器中装设吸附挂片，以有效吸附浓海水中的易成垢物质；运行时加入阻垢剂。

4.经济性能好。系统由各种换热器和泵组成，利用常规技术就可制作完成，易于实现，且设备成本低；系统主要消耗低品位热能，且能量利用率高，因此能耗成本低；所产高浓度海水的进一步综合利用还可分摊设备成本和运行成本，使经济效益更为显著。

5.以0.15mpa(饱和温度111℃)以上的蒸汽或125℃以上的热水作为驱动热源提供给发生器，附加少量电能用于驱动泵工作，就可以实现海水的高效淡化和浓缩，是利用工业余热、太阳热能等低品位热能的有效途径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明实施例1提供的海水淡化及浓海水浓缩一体化系统结构示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件进行。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。

实施例1

一种海水淡化及浓海水浓缩一体化系统，如图1所示，包括多效蒸发海水淡化子系统1、回热浓缩子系统2、吸收回热子系统3和溶液再生子系统4。

所述多效蒸发海水淡化子系统1包括第1效蒸发器11、第2效蒸发器12、...、第n效蒸发器1n，用以将进料海水分离为淡水和盐分浓度约7％的一次浓海水。与常规多效蒸发系统不同，子系统1不包括冷凝器，因此除输出淡水和一次浓海水外，还输出产自第n效蒸发器1n的饱和温度38℃–42℃的蒸汽s3。子系统1的加热蒸汽来自两部分：去热器41排出的温度约70℃的饱和蒸汽s1进入第1效蒸发器11，第i级吸收器31排出的温度50–60℃的饱和蒸汽s2进入第i效蒸发器1i(i的具体数值视蒸汽参数而定)。图中所示子系统1为不带海水预热器的平流结构，实用中可采用任何多效蒸发结构，如带预热器或不带预热器的逆流结构、混流结构等。

所述回热浓缩子系统2包括第i级浓缩器21、浓海水泵22、第ii级浓缩器23，用于将浓度约7％的一次浓海水分级浓缩为浓度高于12％的二次浓海水，同时产出蒸汽。第i级浓缩器21和第ii级浓缩器23是浓海水汽化浓缩的场所，汽化所需热能来自第n效蒸发器1n提供的低压蒸汽s3。第i级浓缩器21中装有冷凝盘管211和数个吸附挂片212。盘管211内蒸汽的冷凝温度为38℃–42℃，盘管211外浓海水的沸腾温度为35℃–40℃。吸附挂片212用于吸附浓海水中的易成垢离子，定期更换。第ii级浓缩器23的结构与第i级浓缩器21相同。

所述吸收回热子系统3包括第i级吸收器31、淡水泵32、第ii级吸收器33、海水泵34，用于吸收一次浓海水汽化所产生的蒸汽，并回收吸收热。第i级吸收器31中的吸收剂溶液吸收来自第ii级浓缩器23的蒸汽，释放出的吸收热用于汽化回热盘管311中的淡水。第ii级吸收器33中的吸收剂溶液吸收来自第i级浓缩器21的蒸汽，释放出的吸收热用于加热盘管331中的海水。所用的吸收剂溶液可以是libr-h2o、cacl2-h2o、licl-h2o等。

所述溶液再生子系统4包括发生器41、节流阀42、溶液换热器43、溶液泵44、去热器45，用于将子系统3排出的吸收剂稀溶液再生为浓溶液，同时为子系统1生产饱和加热蒸汽s1。溶液换热器43用于加热吸收剂稀溶液以减小发生器41的热负荷，同时冷却浓溶液以增大其吸收能力。在驱动热源作用下，发生器41将稀溶液分离为浓溶液和过热蒸汽。在去热器45中，过热蒸汽降温为饱和蒸汽，其显热用于汽化来自第一效蒸发器11的淡水，最终得到饱和加热蒸汽s1。

本发明的海水淡化及浓海水浓缩一体化系统中，各设备均在低于大气压下运行，因此各设备上部均与抽气装置连接(图中未标出)，以抽出空气或其他不凝性气体，维持系统真空。

下面结合图1，叙述具体工作过程：

1.加热蒸汽的产生过程。在第i级吸收器31中，吸收剂浓溶液吸收来自第ii级浓缩器23的蒸汽，成为中间浓度的溶液，之后进入第ii级吸收器33，吸收来自第i级浓缩器21的蒸汽，浓度进一步降低，成为吸收剂稀溶液。稀溶液经溶液泵44加压、经溶液换热器43预热后，进入发生器41，经驱动热源加热后，发生出过热蒸汽。过热蒸汽进入去热器45，与来自第1效蒸发器11的淡水接触换热，最终得到70℃左右的饱和加热蒸汽s1。来自蒸发器1n的蒸汽s3分为两路，分别进入第i级浓缩器21和第ii级浓缩器23，放热冷凝成为淡水，其中一部分淡水经泵32加压后进入第i级吸收器31的盘管311，被溶液吸收过程所释放的热能加热，汽化生成50℃–60℃的饱和加热蒸汽s2。

2.海水淡化过程。环境海水经泵34加压后进入第ii级吸收器33的盘管331中，被溶液吸收过程释放的热能加热后，一部分作为冷却海水排向环境，另一部分作为进料海水进入各效蒸发器11、12、...…、1n。来自去热器45的蒸汽s1进入第1效蒸发器11放热冷凝成为淡水，冷凝热用于加热海水使之汽化，汽化产生的二次蒸汽作为加热蒸汽进入第2效蒸发器12。如此工作直至最后一效1n。其中第i效蒸发器1i的加热蒸汽除了上一效的二次蒸汽外，还有来自第i级吸收器31的蒸汽s2(i的具体数值视蒸汽温度而定)。经过上述过程，环境海水被分离为淡水和盐分浓度约7％的一次浓海水。

3.浓海水浓缩过程。来自第n效蒸发器1n的饱和温度为38℃–42℃的蒸汽s3分为两路，分别进入第i级浓缩器21的盘管211和第ii级浓缩器23的盘管231，冷凝放出潜热。来自蒸发器1n的一次浓海水在第i级浓缩器21中被加热汽化，所产蒸汽被第ii级吸收器吸收，使得浓海水在低温低压下的汽化浓缩过程得以持续进行。第i级浓缩器21排出的浓海水经泵22加压后进入第ii级浓缩器23，继续汽化浓缩。吸附挂片212和232以及阻垢剂的加入可有效减轻结垢。一次浓海水经两级浓缩后，成为浓度高于12％的二次浓海水。

4.溶液吸收与再生过程。吸收剂浓溶液依次经过第i级吸收器31和第ii级吸收器33，吸收浓海水汽化产生的蒸汽，得到的稀溶液经泵44加压、溶液换热器43预热后，进入发生器41。在驱动热源作用下，稀溶液在发生器41中沸腾汽化，再生为浓溶液。

需要说明的是，本实施例仅为示例，在实施例中，原料海水预热后分别进入n个蒸发器，实际使用时根据多效蒸发系统的不同，也可以采用原料海水预热后，进入第1效蒸发器。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视为本发明所公开的内容。