申请日2015.11.02
公开(公告)日2017.05.10
IPC分类号C02F1/04; C02F1/08; C02F1/02; C02F101/30
摘要
本发明提供一种处理废水的工艺和系统，所述系统包括废水预热器、一效蒸发器、二效蒸发器、蒸汽压缩机、凝结水收集器和不凝气压缩机。本发明还提供一种利用上述系统处理废水的工艺，本发明所述的废水处理工艺和系统具有安全可靠、设备简单、操作费用低、节能效果明显等优点，可实现50%~95%的水资源回收利用。
权利要求书
1.一种处理废水的系统，所述系统包括废水预热器、一效蒸发器、二效蒸发器、蒸汽压缩机、凝结水收集器和不凝气压缩机;其中废水进料管线经废水预热器与一效蒸发器的废水入口连接，一效蒸发器的蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口相连，蒸汽压缩机的出口与二效蒸发器的热源蒸汽入口连接，二效蒸发器的气相出口与一效蒸发器的热源蒸汽入口连接，一效蒸发器的不凝气出口经不凝气压缩机与二效蒸发器的辅助蒸汽入口相连，一效蒸发器底部的浓缩液排放口经管线与二效蒸发器的进料口连接，二效蒸发器底部的浓缩液出口经管线与废水预热器连接，一效蒸发器的凝结水排放口和二效蒸发器的凝结水排放口经管线与凝结水收集器连接，凝结水收集器的排放口与废水预热器连接。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述一效蒸发器的蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口连接管线上设置蒸汽补充管线。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述一效蒸发器的不凝气出口与不凝气压缩机的入口连接管线上设置不凝气补充管线。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述不凝气压缩机为容积型压缩机、透平型压缩机或热力型压缩机。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述蒸汽压缩机采用离心式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机以及高压离心风机中的任一种。
6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于：所述蒸汽压缩机的压缩比为1.3~2.0，优选1.4~1.7。
7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述废水预热器采用管壳式换热器、热管式换热器、板式换热器或板壳式换热器。
8.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的一效蒸发器采用升膜蒸发器、降膜蒸发器、水平管蒸发器和板式蒸发器中的任一种。
9.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的二效蒸发器的具体结构如下，所述二效蒸发器包括上封头、壳体、下封头，所述上封头设有气体出口，所述下封头设有浓缩液出口，所述壳体按照液相物料流动方向包括汽液分离段、物料分布段、蒸发段和储液段;所述物料分布段上方的壳体上设有进料口，所述蒸发段包括上管板、蒸发管、下管板和支撑板，所述上管板和下管板固定于壳体的内壁上，所述蒸发管穿过上管板和下管板，所述蒸发管竖直排列在所述蒸发段中，所述下管板的下方设置有支撑板，所述下管板与支撑板固定连接，所述蒸发段的壳体上设有加热蒸汽入口和冷凝液出口，所述储液段的壳体上设有辅助蒸汽入口。
10.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述气液分离段内设有除雾设施，所述除雾设施为金属丝网除雾器、纤维除雾器和折流板除雾器中的任一种。
11.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述进料口连接有进料管，所述进料管上连接有进料分布器。
12.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述蒸发管内装填有填料，所述填料为陶瓷材质或金属材质。
13.按照权利要求12所述的系统，其特征在于：所述填料形状为拉西环、鲍尔环、阶梯环、蜂窝状或狼牙棒状。
14.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述蒸发段与储液段固定连接，采用法兰连接，所述支撑板位于法兰连接中间。
15.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述支撑板上开有多个孔，所述孔的直径小于蒸发管内填料的直径。
16.按照权利要求9所述的系统，其特征在于：所述物料分布段内装有填料，所述填料与蒸发管内填料一致。
17.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述物料分布段的高度为物料分布段直径的1~1.5倍，所述气液分离段的高度为气液分离段直径的1~1.5倍，所述储液段的高度为储液段直径的1~2倍。
18.一种处理废水的工艺，采用权利要求1-17中任一权利要求所述的系统，所述工艺包括：
使用废水预热器，其用于处理原料废水、凝结水和汽提塔浓缩液，原料废水、凝结水和汽提塔浓缩液在废水预热器中进行换热，得到经预热后的原料废水、冷却的凝结水和冷却的浓缩液;
使用一效蒸发器，其用于处理来自经废水预热器预热后的原料废水，处理后得到气相的第1料流、液相的第2料流、不凝气和凝结水;
使用蒸汽压缩机，其用于处理来自一效蒸发器的第1料流，处理后得到气相的第3料流;
使用不凝气压缩机，其用于处理来自一效蒸发器的不凝气，处理后得到气相的第4料流;
使用二效蒸发器，其用于处理来自一效蒸发器的第2料流、蒸汽压缩机的第3料流和不凝气压缩机的第4料流，处理后得到气相的第5料流、液相的第6料流和凝结水;
使用凝结水收集器，其用于接收一效蒸发器和二效蒸发器的凝结水。
19.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：原料废水在废水预热器中换热至90℃～102℃，优选95℃～100℃后进入一效蒸发器。
20.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：所述一效蒸发器、二效蒸发器内蒸汽与废水之间的对数换热温差为3℃～10℃。
21.按照权利要求20所述的工艺，其特征在于：所述一效蒸发器、二效蒸发器内蒸汽与废水之间的对数换热温差为4℃～8℃。
22.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：所述一效蒸发器、二效蒸发器中废水蒸发的汽化率为5%～50%，优选10%～40%。
23.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：在系统开工时，需要用系统外界的蒸汽作为系统开工热源，所述蒸汽由蒸汽补充管线引入系统内;如果系统在运行过程中产生的蒸汽不能维持系统热量消耗蒸汽量时，可由蒸汽补充管线引入蒸汽;如果系统在运行过程中产生的蒸汽大于维持系统热量消耗蒸汽量时，多余的蒸汽可由补充蒸汽管线排出系统。
24.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：在系统开工时，需要用系统外界的不凝气作为二效蒸发器的蒸发热源。
25.按照权利要求24所述的工艺，其特征在于：所述不凝气可以是空气、氮气、氧气等。
26.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：所述的一效蒸发器可采用升膜蒸发器、降膜蒸发器、水平管蒸发器和板式蒸发器中的任一种。
27.按照权利要求18所述的工艺，其特征在于：所述的二效蒸发器的具体结构如下，所述二效蒸发器包括上封头、壳体、下封头，所述上封头设有气体出口，所述下封头设有浓缩液出口，所述壳体按照液相物料流动方向包括汽液分离段、物料分布段、蒸发段和储液段;所述物料分布段上方的壳体上设有进料口，所述蒸发段包括上管板、蒸发管、下管板和支撑板，所述上管板和下管板固定于壳体的内壁上，所述蒸发管穿过上管板和下管板，所述蒸发管竖直排列在所述蒸发段中，所述下管板的下方设置有支撑板，所述下管板与支撑板固定连接，所述蒸发段的壳体上设有加热蒸汽入口和冷凝液出口，所述储液段的壳体上设有辅助蒸汽入口。
28.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述气液分离段内设有除雾设施，所述除雾设施为金属丝网除雾器、纤维除雾器和折流板除雾器中的任一种。
29.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述进料口连接有进料管，所述进料管上连接有进料分布器。
30.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述蒸发管内装填有填料，所述填料为陶瓷材质或金属材质。
31.按照权利要求30所述的工艺，其特征在于：所述填料形状为拉西环、鲍尔环、阶梯环、蜂窝状或狼牙棒状。
32.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述蒸发段与储液段固定连接，采用法兰连接，所述支撑板位于法兰连接中间。
33.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述支撑板上开有多个孔，所述孔的直径小于蒸发管内填料的直径。
34.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述物料分布段内装有填料，所述填料与蒸发管内填料一致。
35.按照权利要求27所述的工艺，其特征在于：所述物料分布段的高度为物料分布段直径的1~1.5倍，所述气液分离段的高度为气液分离段直径的1~1.5倍，所述储液段的高度为储液段直径的1~2倍。
说明书
一种处理废水的工艺和系统
技术领域
本发明涉及环境保护及节能技术领域，具体地说是浓缩处理含盐、含高分子有机物废水的方法和装置。
背景技术
高含盐废水是指总含盐质量分数TDS≥1% 的废水，一般属于难降解废水。常见的高盐度废水主要来源于海水代用排放的废水和工业生产废水等。高含盐废水的脱盐处理工艺主要有电渗析法、反渗透法、离子交换法和蒸发法。有机废水主要来源于化工、道路除冰、食品加工等领域，还包括印染废水、石油开采与加工废水、造纸废水和农药行业废水等。高盐有机废水的总量巨大且逐年增加。如果在排放之前不对其进行处理，废水中高浓度的可溶性无机盐和难降解的有毒有机物会造成严重的环境污染，对土壤及地表水、地下水造成破坏。因此，在水资源紧缺的今天，研究开发有效的高盐有机废水处理技术是十分必要的。
近年来，国外提出了用机械蒸汽再压缩蒸发技术处理回收废水。机械蒸汽再压缩技术是一项减少对外界能源需求的先进节能技术。其节能原理在于：将系统中产生的二次蒸汽经过压缩机压缩，使其压力和温度上升、焓值增加，替代了原系统中必须采用的外部热源，且二次蒸汽的潜热得到了充分利用，从而达到工艺过程节能的目的。目前，机械蒸汽再压缩系统主要在含盐污水、油田回注水、制药废水等废水回收处理方面有应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种处理废水的工艺和系统，本发明所述的废水处理工艺和系统具有安全可靠、设备简单、操作费用低、节能效果明显等优点。
本发明提供了一种处理废水的系统，所述系统包括废水预热器、一效蒸发器、二效蒸发器、蒸汽压缩机、凝结水收集器和不凝气压缩机;其中废水进料管线经废水预热器与一效蒸发器的废水入口连接，一效蒸发器的蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口相连，蒸汽压缩机的出口与二效蒸发器的热源蒸汽入口连接，二效蒸发器的气相出口与一效蒸发器的热源蒸汽入口连接，一效蒸发器的不凝气出口经不凝气压缩机与二效蒸发器的辅助蒸汽入口相连，一效蒸发器底部的浓缩液排放口经管线与二效蒸发器的进料口连接，二效蒸发器底部的浓缩液出口经管线与废水预热器连接，一效蒸发器的凝结水排放口和二效蒸发器的凝结水排放口经管线与凝结水收集器连接，凝结水收集器的排放口与废水预热器连接。
本发明所述处理废水的系统中，所述一效蒸发器的蒸汽出口与蒸汽压缩机的入口连接管线上设置蒸汽补充管线。
本发明所述处理废水的系统中，所述一效蒸发器的不凝气出口与不凝气压缩机的入口连接管线上设置不凝气补充管线。
本发明所述处理废水的系统中，所述不凝气压缩机可为容积型压缩机、透平型压缩机或热力型压缩机。
本发明所述处理废水的系统中，所述的蒸汽压缩机可以采用离心式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机以及高压离心风机中的任一种;所述蒸汽压缩机的压缩比为1.3~2.0，优选1.4~1.7。
本发明所述处理废水的系统中，所述废水预热器可以采用管壳式换热器、热管式换热器、板式换热器或板壳式换热器，优选采用板式换热器。
本发明所述处理废水的系统中，所述的一效蒸发器可采用升膜蒸发器、降膜蒸发器、水平管蒸发器和板式蒸发器中的任一种。
本发明所述处理废水的系统中，所述的二效蒸发器的具体结构如下，所述二效蒸发器包括上封头、壳体、下封头，所述上封头设有气体出口，所述下封头设有浓缩液出口，所述壳体按照液相物料流动方向包括汽液分离段、物料分布段、蒸发段和储液段;所述物料分布段上方的壳体上设有进料口，所述蒸发段包括上管板、蒸发管、下管板和支撑板，所述上管板和下管板固定于壳体的内壁上，所述蒸发管穿过上管板和下管板，所述蒸发管竖直排列在所述蒸发段中，所述下管板的下方设置有支撑板，所述下管板与支撑板固定连接，所述蒸发段的壳体上设有加热蒸汽入口和冷凝液出口，所述储液段的壳体上设有辅助蒸汽入口。
上述二效蒸发器中，所述气液分离段内设有除雾设施，具体可以为金属丝网除雾器、纤维除雾器和折流板除雾器中的任一种。
上述二效蒸发器中，所述进料口连接有进料管，所述进料管上连接有进料分布器，所述进料分布器可以为管式、双层排管、槽式、盘式、冲击式、喷嘴式、宝塔式、莲蓬式、组合式等。
上述二效蒸发器中，所述蒸发管内装填有填料，所述填料可以为陶瓷材质或金属材质，优选陶瓷材质;所述填料形状可以为拉西环、鲍尔环、阶梯环、蜂窝状或狼牙棒状。
上述二效蒸发器中，所述蒸发段与储液段固定连接，具体可以采用法兰连接，所述支撑板位于法兰连接中间。
上述二效蒸发器中，所述支撑板上开有多个孔，所述孔的直径小于蒸发管内填料的直径，所述孔的直径为2mm～5mm。
上述二效蒸发器中，所述支撑板与蒸发段的下管板固定连接，靠蒸发段与储液段的连接法兰紧密接触，通过拆卸蒸发段与储液段的连接法兰，可松开支撑板与下管板，以便于拆卸更换填料。
上述二效蒸发器中，所述物料分布段内装有填料，所述填料可与蒸发管内填料一致。
上述二效蒸发器中，所述辅助蒸汽可以为空气、氮气、蒸汽等，优选蒸汽。
上述二效蒸发器中，所述物料分布段的高度为物料分布段直径的1~1.5倍。
上述二效蒸发器中，所述气液分离段的高度为气液分离段直径的1~1.5倍。
上述二效蒸发器中，所述储液段的高度为储液段直径的1~2倍。
上述二效蒸发器中，不凝气由二效蒸发器的辅助蒸汽入口进入二效蒸发器中，在二效蒸发器中流经蒸发管，与由上而下的废水传质传热，同时，蒸发管内在不凝气的扰动下，加大了废水在填料上的更新速度，而形成液膜流动，提高了蒸发管热量传递速度。在蒸发管内蒸发产生的蒸汽和不凝气一起由二效蒸发器顶部的气体出口排出。加热蒸汽由蒸汽进口进入二效蒸发器，在蒸发管外侧冷凝为凝结水并由冷凝液出口排出二效蒸发器。废水由二效蒸发器上部的料液进口进入二效蒸发器中，浓缩液由二效蒸发器底部的料液出口排出。
本发明还提供一种处理废水的工艺，采用上述装置，所述工艺包括：
使用废水预热器，其用于处理原料废水、凝结水和汽提塔浓缩液，原料废水、凝结水和汽提塔浓缩液在废水预热器中进行换热，得到经预热后的原料废水、冷却的凝结水和冷却的浓缩液;
使用一效蒸发器，其用于处理来自经废水预热器预热后的原料废水，处理后得到气相的第1料流、液相的第2料流、不凝气和凝结水;
使用蒸汽压缩机，其用于处理来自一效蒸发器的第1料流，处理后得到气相的第3料流;
使用不凝气压缩机，其用于处理来自一效蒸发器的不凝气，处理后得到气相的第4料流;
使用二效蒸发器，其用于处理来自一效蒸发器的第2料流、蒸汽压缩机的第3料流和不凝气压缩机的第4料流，处理后得到气相的第5料流、液相的第6料流和凝结水;
使用凝结水收集器，其用于接收一效蒸发器和二效蒸发器的凝结水。
本发明处理废水的工艺中，原料废水在废水预热器中通过与凝结水、浓缩液换热至接近于饱和温度后进入一效蒸发器中，在一效蒸发器内进行蒸发，得到的蒸汽经蒸汽压缩机压缩后，蒸汽的潜热提高，再用压缩蒸汽作为二效蒸发器的蒸发热源。一效蒸发器底部的浓缩液进入二效蒸发器中进行蒸发，二效蒸发器中引入不凝气作为辅助蒸汽，提高二效蒸发器的传质传热效率。二效蒸发器中蒸发的蒸汽和引入的不凝气混合进入一效蒸发器中，作为一效蒸发器的加热热源，其蒸汽被冷凝为冷凝水，不凝气由一效蒸发器的不凝气出口进入不凝气压缩机进行压缩，压缩后的不凝气循环进入二效蒸发器中。二效蒸发器底部的浓缩液进入废水预热器中与废水进换热回收热量。
本发明处理废水的工艺中，原料废水在废水预热器中预热至90℃～102℃，优选95℃～100℃，然后进入一效蒸发器。
本发明处理废水的工艺中，所述一效蒸发器、二效蒸发器内蒸汽与废水之间的对数换热温差为3℃～10℃，优选4℃～8℃，同时，所述一效蒸发器、二效蒸发器中废水蒸发的汽化率为5%～50%，优选10%～40%。
本发明处理废水的工艺中，在系统开工时，需要用系统外界的蒸汽作为系统开工热源，所述蒸汽可由蒸汽补充管线引入系统内;如果系统在运行过程中产生的蒸汽不能维持系统热量消耗蒸汽量时，可由蒸汽补充管线引入蒸汽;如果系统在运行过程中产生的蒸汽大于维持系统热量消耗蒸汽量时，多余的蒸汽可由补充蒸汽管线排出系统。
本发明处理废水的工艺中，在系统开工时，需要用系统外界的不凝气作为二效蒸发器的蒸发热源。所述不凝气可以是空气、氮气、氧气等。
本发明处理废水的工艺中，所述的一效蒸发器可采用升膜蒸发器、降膜蒸发器、水平管蒸发器和板式蒸发器中的任一种。
本发明处理废水的工艺中，所述的二效蒸发器的具体结构如下，所述二效蒸发器包括上封头、壳体、下封头，所述上封头设有气体出口，所述下封头设有浓缩液出口，所述壳体按照液相物料流动方向包括汽液分离段、物料分布段、蒸发段和储液段;所述物料分布段上方的壳体上设有进料口，所述蒸发段包括上管板、蒸发管、下管板和支撑板，所述上管板和下管板固定于壳体的内壁上，所述蒸发管穿过上管板和下管板，所述蒸发管竖直排列在所述蒸发段中，所述下管板的下方设置有支撑板，所述下管板与支撑板固定连接，所述蒸发段的壳体上设有加热蒸汽入口和冷凝液出口，所述储液段的壳体上设有辅助蒸汽入口。
上述二效蒸发器中，所述气液分离段内设有除雾设施，具体可以为金属丝网除雾器、纤维除雾器和折流板除雾器中的任一种。
上述二效蒸发器中，所述进料口连接有进料管，所述进料管上连接有进料分布器，所述进料分布器可以为管式、双层排管、槽式、盘式、冲击式、喷嘴式、宝塔式、莲蓬式、组合式等。
上述二效蒸发器中，所述蒸发管内装填有填料，所述填料可以为陶瓷材质或金属材质，优选陶瓷材质;所述填料形状可以为拉西环、鲍尔环、阶梯环、蜂窝状或狼牙棒状。
上述二效蒸发器中，所述蒸发段与储液段固定连接，具体可以采用法兰连接，所述支撑板位于法兰连接中间。
上述二效蒸发器中，所述支撑板上开有多个孔，所述孔的直径小于蒸发管内填料的直径，所述孔的直径为2mm～5mm。
上述二效蒸发器中，所述支撑板与蒸发段的下管板固定连接，靠蒸发段与储液段的连接法兰紧密接触，通过拆卸蒸发段与储液段的连接法兰，可松开支撑板与下管板，以便于拆卸更换填料。
上述二效蒸发器中，所述物料分布段内装有填料，所述填料可与蒸发管内填料一致。
上述二效蒸发器中，所述辅助蒸汽可以为空气、氮气、蒸汽等，优选蒸汽。
上述二效蒸发器中，所述物料分布段的高度为物料分布段直径的1~1.5倍。
上述二效蒸发器中，所述气液分离段的高度为气液分离段直径的1~1.5倍。
上述二效蒸发器中，所述储液段的高度为储液段直径的1~2倍。
上述二效蒸发器中，不凝气由二效蒸发器下部的辅助蒸汽入口进入蒸发器中，在蒸发器中流经蒸发管，与由上而下的废水传质传热，同时，蒸发管内在辅助蒸汽的扰动下，加大了废水在填料上的更新速度，而形成液膜流动，提高了蒸发管热量传递速度。在蒸发管内蒸发产生的蒸汽和不凝气一起由蒸发器顶部的气体出口排出。加热蒸汽由蒸汽进口进入蒸发器，在蒸发管外侧冷凝为凝结水并由凝结液出口排出蒸发器。废水由蒸发器上部的料液进口进入蒸发器中，浓缩液由蒸发器底部的料液出口排出。
本发明所述处理废水的工艺中，所述的蒸汽压缩机可以采用离心式压缩机、螺杆式压缩机、往复式压缩机以及高压离心风机中的任一种;所述压缩机的压缩比一选择1.3~2.0，优选1.4~1.7。
本发明所述处理废水的工艺中的其他技术，如水泵、热量换热、凝结水收集等是本专业技术人员熟知的内容。
与现有技术相比，本发明所述处理废水的工艺和系统具有如下优点：
1、本发明处理废水的工艺和系统中，废水蒸发浓缩回收采用双效蒸汽机械再压缩工艺回收，可实现50%~95%的水资源回收利用。
2、本发明处理废水的工艺和系统中，通过向二效蒸发器的蒸发管内引入了压缩不凝气，提高了蒸发管内的蒸发传热系数，有利于蒸发系统的传热，从而减少了二效蒸发器的有效换热面积，节省设备投资。
3、本发明处理废水的工艺和系统中，所述二效蒸发器中蒸发管内增加了填料，不仅增加了蒸发管内废水与蒸发管外的加热蒸汽的传热面积，而且在逆流不凝气的冲击下，增加了蒸发管内废水的湍流沸腾程度，促进了蒸发系统的传质传热。
4、本发明处理废水的工艺和系统中，通过控制废水在一效蒸发器中的浓缩比，避免废水在一效蒸发器中发生结垢，使浓缩液在二效蒸发器中进一步浓缩，所设二效蒸发器的蒸发管内引入辅助蒸汽和填料，废水在二效蒸发器中浓缩过程中，可减少蒸发管内壁的结垢而影响传热，使得结垢发生在填料上，同时填料可以拆卸，便于蒸发系统清洗结垢。
5、本发明处理废水的工艺和系统具有安全可靠、设备简单、投资低、等特点。