專利名稱：一種工業水處理的方法
技術領域：
本發明屬于工業水處理的技術領域，特別涉及一種利用工業系統內廢熱，采用膜蒸餾法對工業冷卻水進行處理的一種工業水處理方法。
背景技術：
水資源短缺和污染問題的日益突出，以及生產裝置長周期運行和企業可持續發展的迫切需要，促進了工業循環冷卻水技術的迅速發展，也對水處理提出了更高的要求，使循環玲卻水處理技術面臨新的挑戰和發展機遇。在全世界城市供水中，用于工業冷卻和除鹽水生產的取水超過一半。在工業發達的國家，工業用水85％以上都經循環冷卻水處理。很多工業領域如電力、化工行業通常都具有工業冷卻和除鹽水生產的需求。
工業循環冷卻水研究的宗旨是如何將循環冷卻水中攜帶的廢熱棄于環境又不致引起環境熱影響超標。其通常采用水冷的方法并以水的循環冷卻方式為主。原理為低溫的冷卻水通過熱交換器與待冷卻的工業介質或設備發生熱交換后自身溫度升高，然后進入敞開式通風冷卻裝置如冷卻塔，并主要通過在冷卻塔中的水蒸發帶走蒸汽潛熱的方式重新冷卻為低溫水供循環使用。在使用過程中，循環冷卻水的水質有不斷惡化的趨勢，主要是溶解性鹽濃度增加，其危害主要是引起結垢和腐蝕，為此需要及時從系統中排出。在實際生產中幾乎都是通過提高整個循環冷卻水濃縮倍數、然后根據鹽的平衡排出一定水量(稱為排污)的方式，保持循環冷卻水鹽濃度的穩定，并根據系統內水量平衡的原則補入相應量的工業取水。濃縮倍數越大，水的結垢和腐蝕趨勢越大，目前工業中主要是通過向水中投加具有阻垢和緩蝕作用的水處理藥劑的方式來提高濃縮倍數。大量阻垢劑的使用既增加了成本也污染了環境。(周本省，《工業水處理》，南京化工大學，2000年)工業除鹽水主要是作為鍋爐補水。目前用于工業除鹽的手段主要是離子交換、電滲析、反滲透、納濾以及上述一些工藝的組合等。現有的除鹽工藝存在投資、消耗、產水率等諸多方面的缺點，綜合的除鹽水生產成本有時要高達7～8元/噸。(周本省，《工業水處理》，南京化工大學，2000年)本發明旨在提出一種更經濟和更清潔的工業水處理方法，其中采用了膜蒸餾的除鹽技術。
膜蒸餾，又稱為低溫膜蒸餾，是一種采用疏水微孔膜、以膜兩側的蒸汽壓力差為驅動力的膜分離過程。當不同溫度的水溶液被疏水膜分隔的時候，由于膜的疏水性，兩側的水溶液均不能通過膜進入另一側。但由于高溫側水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于低溫側，水蒸汽會從高溫側透過膜孔進入低溫側并冷凝成為滲出水，這種通過蒸餾的原理獲得的滲出水是一種品質很好的純水；濃水則留在高溫側成為滲余水。膜蒸餾過程無須將溶液加熱到沸點，只要膜兩側維持適當的溫差，該過程就能夠進行，因此又被稱為低溫膜蒸餾。膜蒸餾最初是為大規模海水脫鹽而提出，早在上世紀60年代就開始了較系統的研究。與同為膜法的反滲透工藝相比，膜蒸餾的優點非常顯著(1)膜蒸餾的過程幾乎在常壓下進行，設備簡單，操作方便；(2)在非揮發性水溶液的膜蒸餾過程中，由于僅有水蒸氣能透過膜孔，因此蒸餾液十分純凈；(3)可以處理極高濃度的含鹽水，甚至可以將溶液濃縮到過飽和狀態而成為所謂的膜蒸餾結晶技術，因此膜蒸餾的產水率可以遠高于反滲透。但膜蒸餾的缺點也同樣顯著由于膜蒸餾是一個相變的過程，汽化潛熱降低了熱能利用效率，使膜蒸餾成為一種高耗能的過程。這是限制膜蒸餾工藝應用的主要因素。關于膜蒸餾技術的應用和研究進展，可以參考相關文獻(1.膜蒸餾技術的回顧與展望，《天津城市建設學院學報》第9卷第2期pp100～110；2.膜蒸餾技術及其應用研究進展，《膜科學與技術》第23卷第4期pp67～92)。
目前，工業循環冷卻水的處理主要缺點主要表現在一、成本過高。電耗、阻垢緩蝕，以及管理等方面的費用構成了高額的處理成本；二、能源的浪費。工業循環冷卻水中蘊藏的大量廢熱排入環境，造成能源的嚴重浪費；三、環境污染問題。工業循環冷卻水中蘊藏的大量廢熱排入環境，造成了明顯的環境影響問題。對冷卻塔冷卻而言，其蒸發散熱加以風吹影響，使大量熱量和水滴進入大氣環境，會使空氣局部溫度、濕度升高。長期運行，失散的熱量和水滴會對局部小氣候產生影響。同時，高溫、濃縮液的排污會給水體帶來熱污染，甚至影響水體生態平衡。因此，本發明的提出，以克服現有工藝方法所存在的種種不足。其優點體現在一、熱充分利用。通過發明中的膜蒸餾技術，將工業系統中存在的廢熱資源與工業除鹽需求相結合，充分利用了能源，避免了資源的浪費；二、處理成本降低。降低藥耗、節約能源、節約取水和減少排污，特別是大幅降低除鹽水生產成本都使得本發明中的處理模式的處理成本明顯降低；三、顯著降低環境污染程度。廢熱熱能向除鹽水的轉移不僅降低了藥耗、節約能源、節約取水和減少排污，而且使排放到大氣、水域中的熱量降低，減輕了環境受污染的程度，具有明顯的社會和經濟效應。
總之，含膜蒸餾法的工業水系統清潔模式是對現有工業水運行模式的系統的原始創新，將全面提升工業水系統的清潔生產水平。

發明內容
本發明提出一種利用膜蒸餾除鹽技術的工業水處理方法，說明如下與目前的工業循環冷卻水處理方式相比，本發明在原有處理處理模式上增加了膜蒸餾工藝單元，如圖中虛線橢圓圈內所示，包括膜蒸餾器和工藝冷卻器，并由此形成工業冷卻器循環(簡稱R1)、膜蒸餾器循環(簡稱R2)、冷卻塔循環(簡稱R3)三個水的循環單元。
R1循環由工業冷卻單元與膜蒸餾器組成，獲取廢熱的工業冷卻水從工業冷卻器流出，進入膜整流器的熱側，通過蒸發將水(蒸汽)和熱量(蒸汽潛熱)傳遞到膜蒸餾器的低溫側，熱側滲余水循環回工業冷卻器。R1循環的補水來自新鮮工業取水。
膜蒸餾器的冷側與工藝冷卻器的熱側構成R2循環。R2循環為產水循環，其中作為循環介質的是工業除鹽水，透過疏水性微孔膜的蒸汽被循環純水吸收，并成為所生產除鹽水流出系統，透膜蒸汽所攜帶的潛熱則通過R2循環傳遞至工藝冷卻器的冷側。
工藝冷卻器的冷側與冷卻塔構成R3循環，R3循環中的循環水吸收了R2循環傳導過來的部分蒸汽潛熱后進入冷卻塔進行冷卻，通過冷卻塔的蒸發損失完成最終的工業冷卻。R3循環的補水來自R1循環的排水。
隨著無鹽水的轉移到R2循環，R1循環中的鹽濃度不斷提高，通過向R3循環中排入滲余水，同時維持一定的工業取水，R1循環可以維持穩定的工作狀態。由于蒸發損失及含鹽滲余水的加入，R3循環的通過最終排污方式維持穩定的水質水量。
如附圖
所示的工業水系統清潔模式包含了兩效蒸發，膜蒸餾過程相當于第一效蒸發，蒸汽被有效收集為產水，冷卻塔相當于第二效蒸發，蒸發的目的僅為散發工業廢熱。理論上還可以增加1～2效膜蒸餾過程，以增加純水產量。由于膜蒸餾過程的能耗問題在這里得到有效解決，因此有望大幅降低工業除鹽水的生產成本。
結合附圖對本發明提出的方法進行進一步說明。
附圖中，粗實線框表示裝置或組合裝置，粗虛線表示疏水性微孔膜，虛線橢圓圈內為膜蒸餾工藝單元，細實線及其箭頭表示水流和方向，空心箭頭代表熱能傳遞方向，方框內、方框旁以及線旁的文字和數字為標注。R1為工業冷卻器循環，R2為膜蒸餾器循環，R3為冷卻塔循環。1為工業取水，2為工業除鹽水，3為蒸發損失，4為最終排污，5為I段排水。A為工業冷卻器，b為膜蒸餾器，c為工藝冷卻器，d為冷卻塔。
應用實例一在火力發電廠循環冷卻水中的應用。
火電廠的燃料燃燒總發熱量中只有35％左右轉變為電能，而60％以上的熱能主要通過鍋爐煙囪和汽輪機凝汽器的循環冷卻水失散到環境中。相比之下，循環冷卻水攜帶走的廢熱量又占其中絕大部分。
利用大中型火力發電廠凝汽式汽輪機的排汽在冷凝器中被來自冷水塔水池的循環水冷卻，蒸汽凝結成水，放出凝結熱。此熱量被通過冷凝器的循環水帶走。循環水溫度提高后，再回到冷水塔中進行冷卻，將帶出的熱量釋放到大氣中。此部分浪費掉的熱量稱為火力發電廠的冷源損失，冷源損失約占火力發電廠總能量的60％左右。為了消除或降低冷源損失，采用如上所示膜蒸餾清潔生產循環工藝，循環水從氣輪機的冷凝器中獲取廢熱后進入膜蒸餾組件熱側，與冷側的除鹽水進行傳質與傳熱。升溫后的除鹽水在工藝熱交換器中與冷卻塔循環的水進行熱傳導，使除鹽水降溫，滿足膜蒸餾組件的溫度要求。最后通過冷卻塔的蒸發損失完成最終的工業冷卻。升溫后的除鹽水可作為鍋爐給水，提高鍋爐給水溫度，減少冷源損失，降低火力發電廠的水耗、汽耗和熱耗，提高火電廠的循環效率。
應用實例二在紡織印染行業中的應用目前高溫高壓溢流染色機進行加工織物時，在染色工序完成后、由于缸體的染液處于高壓(一般在0.4-0.6MPa)、高溫(一般在130℃左右)狀態下，直接排液會引起織物強烈收縮起皺，影響染色質量，同時會損壞外部的溝道并危及操作人員的安全。所以，通常的做法是先泄壓冷卻降溫，然后進行水洗。高溫高壓溢流染色機中染液的冷卻降溫，是利用冷卻水通過熱交換器來實現的。每進行一次高溫高壓染色加工，都要用冷卻水進行冷卻，由于冷卻水每次的用量相對較少(視不同工藝約為加工布重的20-40倍)，而且為間歇式排放，使回收再利用這部分冷卻水有一定的難度。
采用如附圖所示膜蒸餾清潔生產循環工藝，將利用高溫高壓溢流染色機染色后的泄壓高溫水利用熱交換器將熱量傳遞給循環冷卻水，獲取熱量后的循環水進入膜蒸餾組件的熱側，利用溫差作驅動力，將蒸汽傳遞給膜蒸餾組件冷側的除鹽水。升溫后的除鹽水在工藝熱交換器中與冷卻塔循環的水進行熱傳導，使除鹽水降溫，滿足膜蒸餾組件的溫度要求。升溫后的冷卻塔循環的水最后通過冷卻塔的蒸發損失完成最終的工業冷卻。升溫后的除鹽水可作為鍋爐給水，提高鍋爐給水溫度，降低染織廠的鍋爐給水的水耗、熱耗、藥劑消耗，提高冷卻水的利用率。
權利要求
1.一種工業水的處理方法，其特征是工業冷卻器與膜蒸餾器的熱側構成工業冷卻器循環(簡稱R1)，在該循環中，低溫工業取水首先進入工業冷卻器獲取廢熱，再循環至膜蒸餾器的熱側，通過膜蒸餾器的傳熱與傳質功能將部分熱量傳遞到冷側，降溫后的冷卻水一部分分流至冷卻塔循環單元，剩下的一部分和工業取水合并后再次進入工業冷卻器循環工作；膜蒸餾器的冷側與工藝冷卻器的熱側構成膜蒸餾器循環(簡稱R2)，在該循環中，循環介質通過膜蒸餾的傳熱、傳質功能吸收水蒸汽后，溫度升高，流經工藝冷卻器的熱側，將熱量傳至冷卻塔循環單元，降溫后的循環介質再循環至膜蒸餾器的冷側進行傳熱、傳質，吸收的水蒸汽以純水的形式外供；冷卻塔與工藝傳熱器的冷側構成冷卻塔循環(簡稱R3)，從工業換熱器循環分流入的彌補蒸發損失及維持鹽平衡的高溫水與從工藝冷卻器出來的升溫水合并后進入冷卻塔降溫，通過冷卻塔的蒸發損失完成最終的工業冷卻，然后再循環至工藝冷卻器進行熱交換，升溫后的一部分循環水作為排污水外排，以維持系統內的鹽平衡。
2.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于在原有工業冷卻水處理模式上增加了膜蒸餾工藝單元，如圖中虛線橢圓圈內所示，包括膜蒸餾器和工藝冷卻器，并由此形成工業冷卻器循環、膜蒸餾器循環、冷卻塔循環三個水的循環單元。
3.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于膜蒸餾器循環的循環介質為工業脫鹽水。
4.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于系統中膜蒸餾器可以增加1～2效膜蒸餾過程，以增加純水產量。
5.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于工藝冷卻器采用防腐蝕換熱器。
6.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于膜蒸餾器循環的膜蒸餾器可以采用多個小型膜蒸餾器進行并聯、串聯組合，以達到產水要求。
7.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于工業冷卻器循環的工業冷卻器可以采用多個工業冷卻器串聯、并聯組合方式。
8.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于膜蒸餾器的熱側與冷側的循環介質可采用錯流或并流流態方式進行傳熱、傳質。
9.如權利要求1所說的一種工業水的處理方法，其特征在于所用膜蒸餾器可采用直接接觸膜蒸餾、真空膜蒸餾、空氣隙膜蒸餾膜蒸餾類型。
全文摘要
本發明提出的一種充分利用工業系統內廢熱，采用膜蒸餾法對工業冷卻水進行處理的方法，屬于工業水處理的技術領域。包括在原有冷卻水處理循環的基礎上增加膜蒸餾工藝循環單元而形成三個水處理循環單元，通過膜組件的傳質、傳熱功能將獲取的廢熱部分轉移到膜蒸餾單元的產水側，獲取純水。可有效解決膜蒸餾過程的能耗問題，并大幅降低工業除鹽水的生產成本，同時可降低藥耗、節約能源、節約取水和減少排污。
文檔編號C02F1/16GK1966412SQ20051011539
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優先權日2005年11月17日
發明者范彬, 欒兆坤, 賈智萍, 王軍, 曲丹 申請人:中國科學院生態環境研究中心