申请日2010.07.29
公开(公告)日2015.12.16
IPC分类号C02F1/02; C02F11/16; C02F11/12
摘要
本发明涉及用于浓缩废水的方法及液体浓缩器系统。所涉及的紧凑型和便携式液体浓缩器包括气体入口、气体出口和将所述气体入口和所述气体出口连接的流过道，其中所述流过道包括缩窄部，所述缩窄部使通过流过道的气体加速。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。在缩窄部下游的除雾器或流体洗涤器从气流中去除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有抵消在流过道中蒸发的液体的量的速率被导入再循环回路中。
摘要附图
权利要求书
1.一种用于浓缩废水的方法，所述方法包括：
(a)将加热气体与液态废水相结合以形成加热气体和曳出液 态废水的混合物;
(a1)在步骤(a)结合的下游，将来自步骤(a)的所 述加热气体和所述曳出液态废水的混合物与浓缩液态废水相 结合;
(b)将所述曳出液态废水分裂为微细的曳出液态废水滴以增 加所述微细的曳出液态废水滴和所述加热气体之间的界面表面区 域，从而实现所述微细的曳出液态废水滴和所述加热气体之间的快 速的质量和热传递;
(c)将来自所述加热气体的热传递到所述曳出液态废水以部 分地蒸发所述曳出液态废水，从而形成所述微细的曳出液态废水滴 与所述加热气体的部分蒸发的混合物;
(d)从所述部分蒸发的混合物中去除所述微细的曳出液态废 水滴的部分以提供经除雾的气体和浓缩液体;
(e)将悬浮固体与所述浓缩液体的液体部分分离;以及
(f)将来自步骤(e)的所述浓缩液体的分离的液体部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分离的液体部分与去除的所述微细 的曳出液态废水滴混合以进行进一步的浓缩。
2.如权利要求1所述的方法，其中，去除所述曳出液态废水滴的部分 包括：使所述加热气体和所述曳出液态废水滴的所述混合物经过横 流洗涤器。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热气体和所述曳出液态废 水滴的所述混合物具有150°F至190°F的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热气体包括来自燃料燃烧 的废气。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述燃料选自由垃圾处理气体、 从井口直接供给的天然气、精炼的天然气、丙烷及其组合组成的组。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述燃料为垃圾处理气体。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述燃料为从所述井口直接供给 的所述天然气。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述燃料为精炼的天然气。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述加热气体具有900°F至1200°F 的温度。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述废水选自由沥滤液、回流水、 生成的水及其组合组成的组。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述废水为沥滤液。
12.如权利要求11所述的方法，其中，基于所述沥滤液的总重量，所述 废水包括1wt.%至5wt.%的固体。
13.如权利要求12所述的方法，其中，基于所述浓缩液体的总重量，所 述浓缩液体至少包括10wt.%的固体。
14.如权利要求13所述的方法，其中，基于所述浓缩液体的总重量，所 述浓缩液体至少包括20wt.%的固体。
15.如权利要求14所述的方法，其中，基于所述浓缩液体的总重量，所 述浓缩液体至少包括30wt.%的固体。
16.如权利要求15所述的方法，其中，基于所述浓缩液体的总重量，所 述浓缩液体至少包括50wt.%的固体。
17.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述部分蒸发的混合物的总 重量，在步骤(c)中所述部分蒸发的混合物包括5wt.%至20wt.% 的液体。
18.如权利要求17所述的方法，其中，基于所述部分蒸发的混合物的总 重量，在步骤(c)中所述部分蒸发的混合物包括10wt.%至15wt.% 的液体。
19.一种用于浓缩废水的方法，所述方法包括：
(a)在压力下将加热气体和废水的液体流相结合以形成加热 气体和废水的混合物;
(a1)在步骤(a)结合的下游，将来自步骤(a)的所 述加热气体和废水的混合物与浓缩液态废水相结合;
(b)使所述相结合的加热气体和废水的液体流通过浓缩器的 混合过道以形成基于所述混合物的总重量具有5wt.%至20wt.%的 液体浓度的气液混合物，所述混合过道具有缩窄部，当从缩窄部的 入口穿行到缩窄部的出口时，在所述混合过道内的气体和液体流在 所述缩窄部中加速;
(c)将所述液体的部分与所述气液混合物分离以提供夹带有 液滴的气体混合物;
(d)去除步骤(c)中获得的所述气体混合物中夹带的液滴， 以便提供浓缩液体和基本无液体的气体;
(e)将悬浮固体与所述浓缩液体的液体部分分离;以及
(f)将来自步骤(e)的所述浓缩液体的分离的液体部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分离的液体部分与去除的所述液滴 混合以进行进一步的浓缩。
20.一种液体浓缩器系统，包括：
浓缩器部，其包括：
气体入口，
气体出口，
混合过道，其布置在所述气体入口和所述气体出口之间， 所述混合过道具有缩窄部，当从所述气体入口穿行到所述气体 出口时，所述混合过道内的气流在所述缩窄部中加速;以及
第一液体入口，待浓缩液体通过所述第一液体入口被喷射 到所述混合过道中，所述第一液体入口布置在所述混合过道中 所述气体入口和所述缩窄部之间;
第二液体入口，浓缩液体通过所述第二液体入口被喷射到 所述混合过道中，所述第二液体入口布置在所述第一液体入口 的下游;
除雾器，其布置在所述浓缩器部的下游，所述除雾器包括：
除雾器气流通道，其与所述浓缩器部的所述气体出口耦 合，
液体收集器，其布置在所述除雾器气流通道中以便从在所 述除雾器气流通道中流动的气体中去除液体，以及
储器，其收集通过所述液体收集器从在所述除雾器气流通 道中流动的所述气体中去除的所述液体;
扇，其与所述除雾器耦合以辅助气流通过所述混合过道和所述 气流通道;以及
第一再循环回路，其将浓缩液体从所述储器传递到所述液体入 口以进行进一步浓缩;以及第二再循环回路，其将浓缩液体从所述 储器传递到固体/液体分离装置，其中将悬浮固体从所述浓缩液体中 去除而保留分离的液体部分，并且将所述分离的液体部分返回到所 述储器，在所述储器中所述分离的液体部分与所述浓缩液体混合以 进行进一步的浓缩。
21.如权利要求20所述的液体浓缩器系统，其中，所述储器包括V形 底部。
22.如权利要求21所述的液体浓缩器系统，其中，所述V形底部从所 述储器的一端倾斜到所述储器的另一端。
23.如权利要求22所述的液体浓缩器系统，进一步包括在所述除雾器中 的清洗回路，所述清洗回路将清洗液体喷洒到所述V形底部上。
24.如权利要求23所述的液体浓缩器系统，其中，所述清洗液体包括浓 缩液体、未浓缩液体、和水中的一种，或者它们的任意组合。
25.如权利要求23所述的液体浓缩器系统，其中，所述清洗回路包括用 于将液体抽送到喷洒器的泵。
26.如权利要求20所述的液体浓缩器系统，其中，所述固体/液体分离 装置为沉淀箱、振动筛、压滤器和旋转式真空过滤器中的一种。
27.一种用于浓缩废水的方法，所述方法包括：
(a)在压力下将加热气体和废水的液体流相结合以形成其混 合物;
(a1)在步骤(a)结合的下游，将来自步骤(a)的所 述加热气体和废水的混合物与浓缩液态废水相结合;
(b)降低所述混合物的静态压力以蒸发所述混合物中所述液 体的部分，产生包括曳出浓缩液体的部分蒸发的混合物;
(c)从所述部分蒸发的混合物中去除所述曳出浓缩液体的部 分以提供经除雾的气体和浓缩液体;
(d)将悬浮固体与所述浓缩液体的液体部分分离;以及
(e)将来自步骤(d)的所述浓缩液体的分离的液体部分返回 到集液器，在所述集液器中所述分离的液体部分与来自步骤(c)的 去除的所述浓缩液体混合以进行进一步的浓缩。
说明书
用于浓缩废水的方法及液体浓缩器系统
相关申请
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
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
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。
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。
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。
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。
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和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。
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。
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。
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 器或排气烟囱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
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 燃烧发动机排气烟囱等废热源连接，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 述气体出口的混合过道或流过道，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。
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。